Почвенная коррозия металлов

Различные трубопроводы, силовые кабели и кабели связи, опо­ры, емкости и другие металлические конструкции эксплуатируются в подземных условиях. В США, например, затраты на текущий ре­монт и замену вышедших из строя труб составляют несколько сот миллионов долларов в год.

Почва и грунт представляют собой сложную природную среду, особенности которой надо учитывать при рассмотрении протекаю­щих в ней процессов коррозии.

Вода в грунте присутствует в виде связанной, капиллярной и гра­витационной. Связанная вода, входящая в состав гидратированных химических соединений, не оказывает влияния на коррозию.

Высота подъема капиллярной влаги зависит от эффективного ра­диуса пор грунта. Уровень грунтовых вод и пористость грунта опре­деляют влажность, которая влияет на скорость коррозии.

Гравитационная влага перемещается по грунту под действием си­лы тяжести и также влияет на режим влажности почвы. Разные почвы по разному удерживают влагу. Тяжелые, глинистые почвы удержива­ют влагу длительное время, песчаные почвы — более проницаемы.

С увеличением влажности почвы ее коррозионная активность по­вышается до тех пор, пока не достигнет некоторого критического уровня. В дальнейшем с увеличением влажности ее активность пада­ет. Это связывают с уменьшением доступа кислорода, необходимого для осуществления катодной реакции.

Для каждого вида почвы существует свое значение критической влажности, при которой коррозионные потери достигают максиму­ма. Для глинистых почв это значение лежит между 12 и 25%, для песчаных — между 10 и 20 %.

При малой увлажненности почвы велики омические потери, что затрудняет протекание электрохимических процессов. Значение рН для большинства почв находится в границах рН = 6,0-7,5. Одна­ко, встречаются также щелочные суглинки и солончаки, имеющие значение рН = 7,5-9,5, и кислые, гумусовые и болотные почвы с рН = 3,0-6,0. Такие почвы отличаются высокой агрессивностью.

Минерализация почвы может меняться в широких пределах — от 10 мг/л до 300 мг/л, что тоже сказывается на скорости коррозии.

Минералогический и гранулометрический состав грунтов, так же как и влажность, влияет на омическое сопротивление. Так, в сухом песчано-глинистом грунте удельное сопротивление почвы составля­ет 240000 Ом-см, а во влажном песчано-глинистом грунте — 900 Ом-см. Этот показатель также влияет на агрессивность почвы. Ниже приведены данные, характеризующие взаимосвязь между электро­сопротивлением и агрессивностью почвы (табл. 6.2).

Большое значение имеет воздухопроницаемость почв. Затрудне­ние доступа кислорода снижает скорость коррозии. По этой причине песчаные почвы часто более агрессивны, чем глинистые. Если трубо­провод пролегает последовательно в глинистых и песчаных почвах, т.е. в условиях неравномерной аэрации, то возникают микрогальва­нические коррозионные зоны: на глинистом участке — анодная, а на песчаном — катодная (рис. 6.4).

Разрушение металла протекает на тех участках, к которым затруднен доступ кислорода. Анодные и катодные участки могут быть значительно удалены друг от друга. Расстояние между ними может составлять несколько сотен метров.

В большинстве почв процесс коррозии протекает с катодным торможением из-за трудности транспорта кислорода (рис. 6.5, а). В рых­лых, хорошо аэрируемых почвах наблюдается анодное торможение (рис. 6.5, б). При возникновении коррозионных пар, в которых анод­ные и катодные участки значительно удалены друг от друга, процесс характеризуется омическим торможением (рис. 6.5, в).

Помимо равномерной коррозии подземные металлические соору­жения подвержены питтингу и коррозионному растрескиванию (КР). Питтинг возникает чаще всего на нижней части трубопроводов, где имеется постоянный контакт с грунтом. КР обнаруживают в катодно поляризованных трубопроводах в местах нарушения защитных покрытий.

Блуждающие токи являются причиной серьезных коррозионных разрушений подземных коммуникаций и сооружений в промыш­ленной зоне. Блуждающие постоянные токи появляются вследствие утечки в грунт постоянного тока, потребляемого наземным и подзем­ным рельсовым транспортом (метро, трамвай, электрифицированная железная дорога), электросварочными агрегатами.

Участки, где блу­ждающие токи входят из земли в металлическую конструкцию, ста­новятся катодами, а там, где ток стекает с металла в почву—анодами. Интенсивность коррозионных повреждений находится в прямой за­висимости от величины блуждающих токов и подчиняется закону Фарадея. Протекание тока величиной в 1 А в течение года соответ­ствует растворению около 9 кг железа. В некоторых неблагоприят­ных случаях были зарегистрированы блуждающие токи величиной до 200-500 А. Отсюда видно насколько интенсивными могут быть повреждения от блуждающих токов. Если анодная область равно­мерно распределена по большой поверхности, коррозионные потери могут и не вызывать аварийных разрушений, но в местах нарушения неметаллического защитного покрытия коррозионные разрушения происходят быстро.

Для защиты трубопроводов от действия блуждающих токов ис­пользуют дренаж — соединение металлической шиной источника блуждающих токов, например, рельсов, с их приемником, например, трубопроводом. Если дренаж установить невозможно, то в направле­нии рельса закапывают специальный анод из чугуна, который соеди­няют с анодной областью трубопровода медным проводником. То­гда блуждающий ток вызывает коррозию только этого специального анода. Если дополнительного анода недостаточно, то в цепь меж­ду анодом и трубой включают источник постоянного тока противо­положного направления. Для уменьшения разрушающего действия блуждающих токов используют также изолирующие прокладки в местах стыка трубопровода.

Подземная коррозия может интенсифицироваться микроорганиз­мами. В почве обитают два вида микроорганизмов: аэробные, жиз­недеятельность которых протекает только при наличии кислорода, и анаэробные бактерии, развивающиеся при отсутствии кислорода. Коррозия металлов, вызванная или усиленная воздействием микро­организмов, носит название биологической или биохимической.

Аэробные бактерии могут быть двух видов: одни окисляют серу, другие — осаждают железо. Первый вид бактерий лучше всего раз­вивается в кислой среде (рН = 3-гб). Они окисляют серу до серной кислоты. При этом на отдельных участках концентрация серной кис­лоты может доходить до 10%. Такое подкисление среды вызывает резкое увеличение скорости коррозии.

Аэробные бактерии, перерабатывающие железо, развиваются в интервале рН = 4-^10. Сущность их деятельности заключается в том, что они поглощают железо в ионном состоянии, а выделяют его в виде нерастворимых соединений. Неравномерное отложение этих соединений приводит к увеличению гетерогенности поверхности, что усиливает коррозию.

Анаэробные бактерии в основном восстанавливают серу из суль­фатов, находящихся в почве. Этот тип бактерий развивается при рН = 5,5-г8,0. В результате их жизнедеятельности ионы 8О²~ вос­станавливаются до 8²~ с выделением С>2. Последний начинает при­нимать активное участие в катодном процессе. Присутствие в корро­зионной среде сульфидов и сероводорода приводит к образованию на поверхности изделия рыхлого слоя сульфида железа. Коррозия

: имеет питтинговый характер.