Скорость коррозии металла в грунте

Содержание
  1. Почвенная коррозия: причины, процесс, защита трубопровода
  2. Что такое почвенная коррозия и как появляется
  3. Факторы развития почвенной коррозии
  4. Влага
  5. Пористость
  6. Кислотность
  7. Электропроводность
  8. Минералогический состав
  9. Температура
  10. Почвенные микроорганизмы
  11. Протекание и особенности почвенной коррозии
  12. Как не допустить появления почвенной коррозии
  13. Использование специальных покрытий или дополнительных изоляционных материалов
  14. Нагнетание искусственной атмосферы
  15. Электрохимическая защита
  16. Правильная укладка
  17. Оцинковка как эффективный метод защиты
  18. Почвенная коррозия
  19. Влияние влажности грунта на почвенную коррозию металла
  20. Пористость (воздухопроницаемость) грунта
  21. Кислотность грунта
  22. Электропроводность грунта
  23. Минералогический состав и неоднородность грунта
  24. Влияние микроорганизмов на почвенную коррозию металлов
  25. Механизм и особенности почвенной коррозии металлов
  26. Особенности почвенной коррозии металлов:
  27. Методы защиты от почвенной коррозии
  28. Нанесение защитных покрытий. Изоляция
  29. Создание искусственной  атмосферы
  30. Электрохимическая защита металла от почвенной коррозии
  31. Специальные методы укладки
  32. Фундаменты
  33. Электрические сопротивления грунтов
  34. Скорость коррозии стали в грунте
  35. Библиографический указатель
  36. Скорость коррозии металла в грунте
  37. Классификация видов ржавчины
  38. Механизмы возникновения и развития коррозионных явлений
  39. Электролитическая
  40. В присутствии кислот
  41. В присутствии нагрузок
  42. Методы оценки коррозионных процессов
  43. Определение быстроты процессов коррозии

Почвенная коррозия: причины, процесс, защита трубопровода

Скорость коррозии металла в грунте

Когда металл помещается в почву, он оказывается во враждебной среде, способной спровоцировать появление коррозии.

Если не защитить металл, столкнетесь с проблемой разрушения, потерей целостности стальных опор и другими сложностями.

В этой статье мы подробно расскажем, что такое почвенная коррозия металла, как появляется и какие факторы способны усугубить положение. Также мы затронем и вопросы защиты, позволяющей свести к минимуму негативное воздействие агрессивной среды.

Что такое почвенная коррозия и как появляется

Как понятно из названия, это явление представляет собой стремительное ржавение металлических изделий при постоянном контакте с грунтом. По статистике, не менее 4% металла в мире ежегодно приходит в негодность под действием такого процесса.

Особенно сложно приходится с трубопроводами, подземными герметичными резервуарами, опорами металлоконструкций – их сложно проверить на целостность.

Иногда проблему обнаруживают слишком поздно, когда возникает обрушение или выявляется протечка транспортируемого по трубам вещества.

Процесс почвенной коррозии связан с самим составом и структурой грунта. Он может быть пористым, легко проводить воздух и воду – опасные факторы распространения коррозии на открытом воздухе.

Риск увеличивает особый химический состав почвы, а также использование специальных удобрений.

Особенно высокий уровень опасности представляют глинистые почвы, в которых влага задерживается надолго. Меньше всего риска при закапывании металла в песчаный грунт.

Не стоит также сбрасывать со счетов и вероятность контакта с водой и водоносными пластами, залегающими близко к поверхности.

Факторы развития почвенной коррозии

Чтобы лучше понять специфику защиты от коррозийного процесса, нужно понять, что его вызывает и как он развивается.

Есть 7 факторов, влияющих на высокую опасность.

Влага

Сама структура почвы такова, что она зачастую наполнена влагой. Вода остается после дождя и искусственного орошения, просачивается из грунтовых пластов. В атмосфере опасным считается уровень влажности выше 50% — при нем начинает появляться ржавчина. В почве этот показатель уже 15-25% в зависимости от состава.

Ученые говорят о том, что в грунте вода может быть в трех основных состояниях. Капиллярная скапливается в порах, связанная сохраняется в виде специальных соединений. Есть и еще одно состояние – гравитационное. Оно обеспечивает подвижность и часто доставляет воду напрямую к металлоконструкции.

Пористость

На открытом воздухе постоянный доступ кислорода и его контакт с металлом становятся дополнительными факторами риска. Есть грунты с высокой, средней и малой воздухопроницаемостью.

На это влияет влажность, плотность и другие показатели. Чем больше воздуха поступает к металлу, тем более агрессивной считается среда.

Опасность воздуха заключается в его способности стимулирования процесса коррозии, а также в примесях, содержащихся в составе.

Сложность добавляет и то, что те же трубопроводы на своем пути проходят через разные почвенные зоны и для каждой их них нужно предусмотреть меры защиты.

Кислотность

Сам по себе грунт – это агрессивная среда. Уровень кислотности варьируется в диапазоне 6,0-7,5 и обозначается как рН. Есть виды почв, в которых кислотность сильно негативно отражается на состоянии металла.

К ним относятся чернозем, суглинки, подзол, болотистые грунты, торф, щелочные солончаки. В них сталь и другие материалы начинают портиться в 2-5 раз быстрее, в зависимости от состава.

Электропроводность

Этот показатель связан с составом почвы. Указывается в Ом на метр. Соленые грунты отличаются лучшими параметрами электропроводности.

Это напрямую влияет на анодные и катодные процессы, так что материал портится быстрее. Это актуально для таких видов сырья, как чугун и сталь.

Минералогический состав

Этот параметр влияет на степень сопротивления грунта, а также на его электропроводность. Стандартные показатели минерализации на уровне 10 – 300 мг/л.

Но использование некоторых видов удобрений приводит к росту таких параметров, а также стимулирует появление гальванопар. Они сильно ускоряют почвенную коррозию.

Температура

Во многом здесь такое же соотношение, как и в случае с ржавением под влиянием атмосферы. На максимальные температуры почвы влияет ее состав и другие характеристики. При высоких температурах коррозия протекает быстрее, а воздействие влаги становится намного более агрессивным.

Зимой процесс замедляется, потому что жидкость из пустот в капиллярном состоянии уже оказывает влияния на состояние металла.

Говоря о температуре, стоит также упомянуть риск появления термовальганических пар. Проблема характерна для трубопроводов с большой протяженностью прокладки – у них на разных участках уровень температуры отличается.

Почвенные микроорганизмы

Не стоит забывать о том, что почва является домом для большого количества различных микроорганизмов. Она заселена как аэробными, так и анаэробными формами жизни.

Жизнедеятельность таких организмов и приводит к тому, что в почве накапливается много веществ, негативно влияющих на состояние металла.

Протекание и особенности почвенной коррозии

Как и другие коррозийные процессы, такой вид порчи материала относится к электрохимическому типу процессов.

В зависимости от типа грунта, протекают как катодные, так и анодные процессы. Они отличаются по принципу развития. Там, где затруднен доступ для воздуха, протекает катодный контроль, в то время как анодный характерен для грунтов с высокой степенью влажности. 

От первоисточника и характера зависит, к какой категории относится коррозийный процесс. Он может быть вызван самой почвой или наличием в ней блуждающих токов. Вторая ситуация значительно более опасна и оказывает серьезное разрушительное воздействие.

При развитии такого процесса металл начинает постепенно разрушаться, теряет свою прочность. Для почвы характерно появление на изделии язвенных поражений – очагов, в которых процесс проявляется особенно сильно.

Также специалисты наблюдают возникновение макро и микропар.

Как не допустить появления почвенной коррозии

Здесь мы подходим к важному вопросу – к защите от почвенной коррозии. Современные методы позволяют значительно увеличить качество такого процесса и создать хороший уровень безопасности от коррозийных поражений.

Рассмотрим наиболее распространенные варианты защиты. Отметим также, что некоторые из них можно использовать не только для профилактики, но и чтобы затормозить развивающийся процесс или сделать его значительно медленнее.

Использование специальных покрытий или дополнительных изоляционных материалов

Это один из самых распространенных методов, используемых для блокировки почвенной коррозии газопроводов и других протяженных подземных коммуникаций.

При использовании покрытия удается ограничить доступ всем потенциальным разрушительным факторам к металлу. Среди требований к разным типам покрытия – монолитность по всей длине.

Если слой потрескался и поцарапался, в этом месте может появиться и распространиться даже ржавчина. Также в обязательном порядке нужна защита от агрессивных химических сред и перепадов температур.

Вне зависимости от окружающей обстановки состав не должен менять своих характеристик.

Сами материалы могут быть двух типов:

  • Мастичные. Это составы на основе каменного угля или битума. Легко намазываются на поверхность трубы, ложатся ровным слоем и максимально долговечны.
  • Полимерные. Основаны на полимерных соединениях. Они могут быть как в виде эмали, так и специальных лент.

Высокие требования предъявляются и к качеству нанесения материалов на трубы. Не должно быть непроработанных участков. Также соблюдается и максимальная толщина.

Для битумных вариантов она должна составлять не менее 3 мм. На особенно опасных участках – до 9 мм.

Хорошо себя показывает и полимерная изоляция, созданная в виде специальной внешней скорлупы.

Ее легко установить на трубу для защиты газопровода от почвенной коррозии, а на теплотрассу – от потери тепла.

Нагнетание искусственной атмосферы

Метод практикуется на длинных, ответственных трубопроводах, которые особенно важно сохранить в целости. Так как на пути прокладки могут встречаться разные виды грунтов, металл засыпается землей с нужными показателями.

Это достаточно дорогостоящий процесс, но в сочетании с другими методами защиты он показывает себя с лучшей стороны.

Электрохимическая защита

При таком методе удается создать специальную поляризацию – либо катодную, либо анодную, в зависимости от текущих условий эксплуатации инженерных коммуникаций.

Для того, чтобы заработала катодная защита, металлу нужно передать отрицательный потенциал. В таком случае окисление будет сильно затруднено, во многих видах почв позволит полностью избавиться от коррозии или сильно замедлить ее.

Устанавливается как протекторная защита, так и катодная.

Правильная укладка

Большое значение имеет и обустройство самой трассы прокладки. Так для теплотрасс можно устанавливать не только внешнюю изоляцию, но и специальную скорлупу из бетона и плит с высоким уровнем герметизации.

Таким образом, к металлу не просочится грунтовая вода.

Оцинковка как эффективный метод защиты

Стоит также помнить и о предварительной защите – использовании метода цинкования металлических деталей для высокого уровня защиты от развития коррозии. Наша компания предоставляет именно такие услуги.

При оцинковке, на поверхности появляется тонкий защитный слой. Он отличается высоким уровнем стойкости и ограждает материал от влияния неблагоприятных внешних факторов. При этом, в почве оцинкованное покрытие не так подвержено механическим повреждениям, служит намного дольше.

Оно также может использоваться в сочетании с другими методами, описанными в этой статье.

Наша компания занимается оцинковкой продукции для надземного и подземного использования с 2007 года. Гарантируем всем заказчикам высокий уровень качества проведения работ, отвечаем на все интересующие вопросы.

Среди наших преимуществ:

  • Возможность работы даже с крупными партиями товаров.
  • Три цеха горячего цинкования для увеличения скорости и соблюдения сроков.
  • Самая глубокая ванная для оцинковки в ЦФО, дающая возможность работы с любыми видами деталей.

Мы предлагаем клиентам удобные условия работы и готовы рассмотреть даже срочные заказы. Чтобы узнать подробности, звоните нам или оставляйте заявку на сайте.

Вернуться к статьям

Почвенная коррозия

Скорость коррозии металла в грунте

Почвенная коррозия – разрушение металла в почве. Ежегодные потери металла вследствии протекания почвенной коррозии достигают 4%.

Почвенной коррозии подвергаются различного назначения трубопроводы, резервуары, сваи, опоры, кабеля, обсадные трубы скважин, всякого рода металлоконструкции, эксплуатируемые в почве.

Почва – очень агрессивная среда. Она состоит из множества химических соединений и элементов, многие из них только ускоряют коррозионный процесс. Агрессивность почвы (грунта) зависит от некоторых факторов: влажность, аэрация, пористость, рН, наличие растворенных солей, электропроводность.

Классификация грунтов по коррозионной активности:

— высококоррозионные грунты (тяжелые глинистые, которые длительное время удерживают влагу);

— среднекоррозионные грунты;

— практически инертные грунты в коррозионном отношении (песчаные почвы).

Влияние влажности грунта на почвенную коррозию металла

Влага в почве присутствует   почти  везде. Где-то ее больше, а где-то меньше. Именно влажность грунта  очень сильно влияет на скорость почвенной коррозии, превращая почву в электролит. Она же вызывает электрохимическую коррозию находящихся в грунте металлоконструкций.

Вода в грунте может быть: капиллярной,   гравитационной,   связанной.  Капиллярная влага собирается   в  порах   грунта.  Высота  подъема  ее  по  капилляру зависит от диаметра пор. Капиллярная влага сильно влияет на скорость почвенной коррозии.

   Связанная   влага  на  скорость  почвенной коррозии не влияет, т.к. находится в виде гидратированных химических соединений.

Под действием силы тяжести в грунтах и почвах постоянно перемещается вода, которая  оказывает,  как и  капиллярная,  значительное  влияние  на   скорость почвенной коррозии.

Максимальная скорость почвенной коррозии наблюдается при влажности грунта 15 – 25%. Это объясняется уменьшением омического сопротивления   коррозионных   элементов.

   С повышением влажности почвы анодный процесс проходит легче (за счет затруднения пассивации поверхности металла), а   катодный   –   труднее   (грунт  насыщается влагой, затрудняется его аэрация).

Влажность, при  которой наблюдается наибольшая скорость коррозии, называют критическим показателем влаги для грунта. Для глинистых грунтов он составляет около 12 – 25%, для песчаных 10 – 20%.

Пористость (воздухопроницаемость) грунта

Пористость (воздухопроницаемость) грунта  влияет на способность длительное время сохранять влагу и аэрацию. Воздухопроницаемость зависит от состава грунта, его плотности, влажности.

Грунты, хорошо пропускающие воздух (песчаные), более агрессивны. В песчаных грунтах катодный процесс протекает с облегчением.

На практике бывают случаи, когда подземный трубопровод большой  протяженности           проходит через разного вида грунты.

Если он проходит     последовательно в песчаной, а потом глинистой почве, где условия    аэрации металлической поверхности очень различаются, то возникают аэрационные  микрогальванические коррозионные зоны.

Поверхность трубопровода в песчаной  зоне будет играть роль катода, а глинистой – анода. Разрушение металла будет происходить на анодных участках, где затруднен доступ кислорода к поверхности. Интересно, что катодная и анодная зоны могут находится на расстоянии больше сотни метров.

При этом коррозионный процесс будет отличаться омическим торможением.

Кислотность грунта

Для большинства грунтов значение рН составляет 6,0 – 7,5. Высококоррозионными являются почвы, рН которых сильно отличается от данного значения.

  К ним относятся торфяные, болотистые грунты, значение рН которых  составляет 3 – 6. А также щелочные солончаки и суглинки, с рН почвы 7,5 – 9,5.

  Очень агрессивной средой по отношению к сталям, свинцу,  меди, цинку является чернозем, содержащий органические кислоты.

Одна из самых агрессивных почв – подзол. Сталь в подзоле корродирует в 5 раз быстрее, чем в других грунтах.

Кислотность грунтов ускоряет почвенную коррозию, т.к. вторичные продукты коррозии становятся более растворимы, существует возможность дополнительной катодной деполяризации ионами водорода.

Электропроводность грунта

Электропроводность грунта  зависит от его минералогического состава, количества влаги и солей  в почве. Каждый вид грунта имеет свое определенное значение электропроводности, оно может колебаться от нескольких единиц до нескольких сотен Ом на метр.

Соленость грунта оказывает огромное влияние на его электропроводность. С увеличением содержания солей легче протекают анодный и катодный электродные процессы, что снижает электросопротивление.

Почти всегда определив электропроводность грунта можно судить о его степени коррозионной агрессивности (для стали, чугуна). Исключение составляют водонасыщенные почвы.

Минералогический состав и неоднородность грунта

Минералогический состав и неоднородность грунта оказывают большое влияние (как и влажность) на омическое сопротивление. В глинисто-песчаном влажном грунте удельное сопротивление почвы составляет около 900 Ом•см, а в таком же грунте, только сухом – 240000 Ом•см. С уменьшением удельного сопротивления грунта его агрессивность увеличивается.

Минерализация почвы может колебаться в пределах 10 – 300 мг/л.

Неоднородность грунта приводит  к возникновению гальванопар, которые только усиливают почвенную коррозию, делают разрушение неравномерным.

Влияние температуры грунта на почвенную коррозию металлов. Температура может колебаться в очень больших пределах. Зимой, когда свободная вода, заполняющая капилляры в почве замерзает —  скорость почвенной коррозии немного уменьшается. Это также связано с плохой аэрацией поверхности металла.

В летнее время, когда на улице стоит жара, скорость почвенной коррозии может замедлятся также, что объясняется высыханием почвы. Самый большой ущерб  почвенная  коррозия     наносит в межсезонье, когда грунт достаточно   влажный,      созданы   оптимальные   условия для протекания коррозионного процесса.

Температура грунта зависит  от времени года, географической широты, времени суток,  погоды.

Значительное различие температур на конструкции, имеющей большую протяженность (подземный трубопровод) может быть причиной образования термогальванических коррозионных  пар, которые обеспечивают усиление местной почвенной коррозии.

Влияние микроорганизмов на почвенную коррозию металлов

В почве живут и развиваются два вида микроорганизмов: аэробные (могут существовать только при   наличии  кислорода), анаэробные (для обеспечения их жизнедеятельности кислород не требуется).

Они оказывают огромное влияние на почвенную коррозию металлов.

Почвенная коррозия металлических сооружений, вызванная жизнедеятельностью живых микроорганизмов носит название биологическая (биокоррозия) либо биохимическая.

Аэробные микроорганизмы  (почвенные) существуют  двух видов: одни принимают непосредственное участие в осаждении железа, другие – окисляют серу. Оптимальными условиями для существования анаэробных  серобактерий является кислая среда (3 – 6 рН). Серобактерии окисляют сероводород в серу, а потом — серную кислоту по следующим уравнениям:

2H2S + O2 = 2H2O + S2;

S2 + 2H2O + 3O2 = 2H2SO4.

В местах наибольшего количества серобактерий концентрация  серной кислоты может достигать 10%. Это очень сильно ускоряет почвенную коррозию, особенно стали.

При  рН  грунта около 4 – 10 развиваются бактерии, перерабатывающие железо. Эти бактерии в процессе своей жизнедеятельности поглощают ионы железа, а выделяют нерастворимые соединения, содержащие Fe.

В местах скопления железобактерий наблюдается большое количество нерастворимых железистых соединений, которые увеличивают гетерогенность поверхности.

Это явление также оказывает большое влияние на скорость почвенной коррозии.

Анаэробные микроорганизмы могут вырабатывать углеводороды, сероводород, угольную кислоту и множество других химических соединений. Они могут разрушать защитные покрытия, воздействовать на ход анодной и катодной реакции, менять характеристики почвы.

Среди анаэробных микроорганизмов самыми опасными можно считать сульфатредуцирующие бактерии. Оптимальные условия для их существования, почва со значением  рН 5,5 – 8 (болотные, глинистые, илистые грунты). Бактерии восстанавливают сульфаты, содержащиеся в почве. Этот процесс можно описать следующим уравнением:

MgSO4 + 4H = Mg(OH)2 + H2S + O2.

Выделившийся кислород обеспечивает протекание реакции на катоде. Сероводород и сульфиды в почве являются причиной появления на поверхности эксплуатируемой конструкции рыхлого слоя сульфида железа.

Коррозия носит питтинговый характер.

Механизм и особенности почвенной коррозии металлов

Почвенная коррозия почти всегда протекает по электрохимическому механизму (исключения составляют лишь очень сухие грунты).

Анодный процесс при почвенной коррозии – разрушение металла. На катоде же проходит кислородная деполяризация.

Чаще всего кислородная деполяризация проходит с затрудненным доступом кислорода к поверхности корродирующего изделия.

Подвод кислорода может осуществятся несколькими способами: диффузией в жидкой или газообразной среде или направленным течением этих фаз, перемешиванием фаз при помощи конвекции.

Во влажном грунте процесс проходит с преимущественно катодным контролем, а  сухих рыхлых почвах —  анодным.  Иногда, при работе протяженных микропар может наблюдаться катодно-омический контроль.

На катоде также может проходить и водородная деполяризация (только в условиях кислых грунтов). Существенно изменить ход коррозионного процесса могут и микроорганизмы.

Подземную коррозию делят на грунтовую коррозию и электрокоррозию (коррозию блуждающими токами). Подземная коррозия менее опасна, чем разрушение под воздействием блуждающих токов.

Особенности почвенной коррозии металлов:

— значительное влияние омического сопротивления грунта;

— возникновение коррозионных микро и макропар;

— язвенный характер разрушения.

Методы защиты от почвенной коррозии

Защиту от почвенной коррозии можно разделить на активную (электрохимическую) и пассивную (изоляция изделия от воздействия окружающей среды, специальные способы укладки и т.д.).

Для защиты металлоизделий от почвенной коррозии применяются самые разнообразные методы. Очень часто, особенно в высококоррозионых грунтах, применяют комплексную защиту от подземной коррозии.

Основные методы защиты металлоконструкций от почвенной коррозии: нанесение защитных покрытий и изоляция изделий, создание искусственной среды, электрохимическая защита, применение специальных методов укладки.

Нанесение защитных покрытий. Изоляция

Для защиты от почвенной (грунтовой) коррозии наиболее эффективным и широко используемым является нанесение защитных изоляционных покрытий.

К таким покрытиям предъявляются следующие требования: оно должно быть сплошным, без трещин, царапин; иметь хорошую адгезию с металлоподложкой; быть химически стойким; отличаться высокими диэлектрическими свойствами; сохранять свои защитные свойства при воздействии положительных и отрицательных температур (от -50 до +50 °С); не содержать коррозионно-активных по отношению к основному металлу агентов; обладать высокой биостойкостью, механической прочностью.

Защитные покрытия могут быть полимерными и мастичные. К мастичным относятся каменноугольное, битумное. К полимерным – покрытия из липких изоляционных лент, расплавы, накатываемые эмали и т.д.

Покрытие, применяемое для защиты от почвенной коррозии,  должно полностью изолировать готовую конструкцию от воздействия окружающей среды. Для  изоляции подземных трубопроводов очень часто используют битумные покрытия различной толщины (6 мм – усиленное, 3 мм – обычное, 9 мм – очень усиленное).

Широкое распространение получили петролатумные, цементные, каменноугольно-пековые, полиэтиленовые, поливинилхлоридные защитные покрытия. Последние отличаются отличными защитными и изолирующими способностями, долгим сроком службы, но не из самых дешевых.

Самыми слабыми защитными свойствами обладает цементное покрытие.

Создание искусственной  атмосферы

Этот метод применяют достаточно редко, в основном для трубопроводов большой протяженности. Это связано с большими транспортными затратами, трудностью его реализации (необходимо большое количество работников, техники, достаточно много времени).

Протяженные подземные сооружения могут проходит через разные виды почв, что интенсифицирует  коррозионный процесс. Суть метода заключается в том, чтоб создать однородный грунт по всей протяженности конструкции (засыпая, например, весь трубопровод песчаным грунтом) либо уменьшить агрессивность почвы на определенных участках. Для этого кислые грунты могут известковать.

Электрохимическая защита металла от почвенной коррозии

Электрохимическая защита заключается в  принудительном создании катодной либо анодной поляризации. При совместном применении электрохимический защиты и защитных покрытий, затраты на первую весьма невелики.

В практике защиты металлов от почвенной коррозии очень часто применяется катодная защита. Металлоконструкции сообщают определенный отрицательный электрический потенциал, который затрудняет термодинамику окисления металла. Это существенно снижает (сводит к минимуму) скорость почвенной коррозии. Осуществить катодную поляризацию можно используя специальные установки: протекторные, катодные.

Протекторная защита заключается в подсоединении к изделию электродов из металла, который в данной среде более электроотрицателен. Для защиты стали от подземной коррозии протекторами могут служить алюминий, его сплавы, цинк, магний.

Катодная защита – создание катодной поляризации при помощи внешнего источника тока (генераторы постоянного тока, батареи, выпрямители). По всей протяженности трубопровода ставят специальные станции катодной защиты.

Специальные методы укладки

Очень часто при прокладке трубопровода, а также  других сооружений для защиты их от воздействия грунтовых вод, самого грунта используют специальные способы укладки.  Трубопровод или кабель может быть помещен в специальный коллектор (при этом кабель укладывают на неметаллическую подкладку), защитный кожух (часто из железобетонных плит или металла).

Вышеописанные методы применимы только для защиты изделий от влияния грунта и подземных вод.

Фундаменты

Скорость коррозии металла в грунте

Одним из наиболее существенных вопросов, возникающих при применении металлических конструкций в строительстве, является вопрос сопротивления таких конструкций процессам коррозии и связанная с ним долговечность зданий и сооружений.

В настоящее время существует комплекс взаимоувязанных межгосударственных стандартов, устанавливающих общие требования, правила, нормы и методы защиты изделий, конструкций и материалов от коррозии, старения и биоповреждений на всех стадиях жизненного цикла изделий и конструкций исследование и обоснование разработки (Стандарты ЕСЗКС – Единая система защиты от коррозии и старения материалов и изделий) [1, 2, 3, 4].

Назначение ЕСЗКС – обеспечение и сохранение заданного уровня качества изделий, конструкций и материалов средствами и методами защиты от коррозии, старения и биоповреждений с учетом требований безопасности, экологии, совместимости и взаимозаменяемости, а также конкурентной способности изделий и конструкций на мировом рынке.

Помимо стандартов ЕСЗКС, требования к коррозионной стойкости устанавливаются также нормативами на отдельные виды конструкций и их частей в зависимости от действующих коррозионных факторов.

Для подземных сооружений (в т.ч. фундаментов), критериями опасности коррозии являются:

  • коррозионная агрессивность среды ( грунтов , грунтовых и других вод) по отношению к металлу сооружения (включая биокоррозионную агрессивность грунтов );
  • опасное действие блуждающего постоянного и переменного токов.

Исходя из этих критериев, следует, что скорость коррозии металла в грунте зависит от:

  • pH грунта. Чем ниже pH (кислая среда), тем скорость коррозии выше.
  • электрического сопротивления грунта. Чем выше сопротивление грунта, тем скорость коррозии медленнее.

Также необходимо учитывать наличие антикоррозионного покрытия, препятствующего коррозии.

Исследования по определению электрического сопротивления грунта с учетом возможного повышения влажности и изменения температуры проводились Федеральным дорожным агентством и отражены в руководстве для инженеров транспорта (табл.1).

Электрические сопротивления грунтов

Таблица 1

Тип грунтаСопротивление, Ом
Глина100
Суглинок250
Супесь500
Песок1500
Обломочный грунт5000
Скальный грунт>5000

Определение pH грунтов возможно на основе исследований института стали и сплавов, согласно которым значение pH грунтов составляет от 6,5 до 8.

Таким образом, зная показатели электрического сопротивления и pH грунта, возможно прогнозирование срока службы металлической винтовой сваи для заданных грунтовых условий.

Ориентировочные данные по скорости коррозии металлов в различных типах грунтов также имеются в зарубежных нормах проектирования (табл. 2).

Скорость коррозии стали в грунте

Таблица 2

Скорость коррозии, мм/год (10-6 м/год)Тип грунта (с наличием или отсутствием грунтовых вод)
0.012 мм/год (12∙10-6 м/год)Сланцевые глина, отложения, илистые (песок, структуры ненарушенной>
0.030 мм/год (30∙10-6 м/год)Грунт ненарушенной структуры (песок, илистые отложения, глина, сланцевые отложения)
0.030 мм/год (30∙10-6 м/год )Агрессивные грунты (торф, болото)
0.020 мм/год (20∙10-6 м/год)Песок, илистые отложения, глина, сланцевые отложения
0.050 мм/год (50∙10-6 м/год)Зола, шлаки

В качестве примера определения срока службы металлической винтовой сваи рассмотрим свайный фундамент, устраиваемый под конструкцию пола Грановитой Палаты Московского Кремля компанией ФУНДЭКС.

Свая имеет защитное антикоррозионное покрытие на основе эпоксидных композиций. Покрытие сваи обладает повышенной стойкостью к почвенной коррозии. Срок службы данного покрытия согласно ЕСЗКС составляет 50 лет.

Произведем расчет стали при действии коррозионных процессов.

Скорость коррозии для техногенных грунтов составляет ок. 0.030 мм/год. При условии толщины стали лопасти 5 мм срок коррозии составит от 5/0.030 = 166, 66 лет.

С учетом сроков разрушения защитного покрытия расчетный срок службы сваи по скорости коррозии лопасти составляет для данного типа грунтовой обстановки не менее 200 лет.

Библиографический указатель

Скорость коррозии металла в грунте

Скорость коррозии металла в грунте

Коррозией называют самопроизвольное разрушение металлических поверхностей под влиянием взаимодействия металла с окружающей средой. Особенно сильно проявляя себя при повышенных механических и температурных напряжениях, коррозионные процессы наносят большой ущерб стальным конструкциям. Правильно оценить скорость коррозии означает повысить долговечность изделия.

Классификация видов ржавчины

Коррозия классифицируется по следующим признакам:

  1. По равномерности протекания. Встречается более равномерная, поверхностная коррозия (при которой с одинаковой степенью уменьшается толщина стенки изделия) и неравномерная, очаговая коррозия, которая характеризуется возникновением поврежденных точек или язв на стальной поверхности.
  2. По направленности действия. Встречается избирательная коррозия, при которой поражаются только определенные составляющие структуры металла, и контактная, разрушающая определенный металл (для биметаллических соединений).
  3. По масштабам своего действия известны такие виды коррозии, как межкристаллитная, разрушительно действующая по границам зерен стали (с постепенным распространением вглубь), и объемная, поражающая всю поверхность одновременно.

Интенсивность коррозии значительно увеличивается, если кроме неблагоприятных изменений/колебаний температуры и влажности на контактную поверхность металла дополнительно влияют напряжения растяжения, а также химически агрессивная среда.

Интенсивность коррозии многократно возрастает из-за растрескивания между смежными кристаллитами и их блоками. Еще агрессивнее на сталь воздействуют внешние растягивающе-сжимающие напряжения.

Механизмы возникновения и развития коррозионных явлений

Поскольку большинство стальных поверхностей работают в среде определенной влажности, а также в воде, водных растворах солей, кислот и щелочей, то преобладающим механизмом появления ржавчины является электролитический. Исключение составляет лишь печная коррозия, которая возникает в металлических конструкциях нагревательных устройств: там поверхностное разрушение происходит за счет образования высокотемпературной ржавчины – окалины.

Электролитическая

При электролитической коррозии в присутствии кислорода происходит реакция гидратации железа стали, конечным продуктом которой является гидрат окиси железа Fe(OH)2. Такое явление называют коррозией анодного типа. Но на этом процесс не заканчивается. Гидрат окиси железа – вещество нестабильное и в присутствии воды (или водных паров) довольно быстро распадается на различные окислы железа:

  • при повышенных температурах образуется преимущественно закись железа FeO;
  • при комнатных либо чуть выше – окись железа Fe2O3;
  • при промежуточных (в диапазоне температур +250…+450°C) – магнитная закись-окись железа Fe3O4.

В любом случае поверхность стали ржавеет, только индикаторы данного явления могут быть либо красновато-коричневыми, либо серовато-желтыми.

В присутствии кислот

Несколько иной механизм образования ржавчины происходит в присутствии кислот, кислых растворов либо жидких сред, которые не содержат кислорода. Здесь происходит анодное растворение стали с образованием гидридов – соединений железа с водородом.

Но последние являются химически нестойкими веществами, быстро окисляются в воздушной и влажной среде и также образуют ржавчину, только более рыхлую.

Особенно быстро распадаются гидриды железа тогда, когда в атмосфере или окружающей среде присутствуют соединения серы.

В присутствии нагрузок

По третьей схеме происходит коррозия при наложении внешних нагрузок на контактные поверхности. Здесь, помимо двух традиционных составляющих, обязательно присутствует третий компонент – смазка.

Поскольку все органические соединения всегда содержат кислород и водород, то при повышении температуры на контакте начинают протекать механохимические реакции окисления смазки.

Они заканчиваются тем, что вместо снижения трения отработанная и частично уже разрушенная смазка начинает активно окислять поверхности, образуя ржавчины.

Методы оценки коррозионных процессов

Интенсивность коррозии относительно стали определяется в зависимости от характера коррозионных явлений. Начинают обычно с визуального выявления наличия ржавчины на поверхности.

С помощью обычного микроскопа или даже лупы можно довольно точно оценить интенсивность коррозионных процессов и степень повреждения поверхности металла.

Более точно определяют степень повреждения так называемые показатели коррозии. С их помощью можно выяснить:

  • потерю массы изделия вследствие коррозии;
  • уменьшение линейного размера детали или конструкции;
  • интенсивность повреждения в зависимости от времени пребывания детали в коррозионно-активной среде.

Кроме количественной оценки наличия ржавчины, возможна и качественная. Ее индикаторами являются выявленные изменения микроструктуры стали. Так, выявляют межкристаллитную или избирательную коррозию. Гораздо реже интенсивность и скорость коррозии определяется по изменению химического состава окружающей металл среды или по количеству выделенного водорода.

Конкретные показатели коррозии, которые влияют на скорость коррозии, включают в себя:

  1. Интегральная коррозионная характеристика. Она рассчитывается как потеря массы стального изделия за год, деленная на площадь поверхности, на которой появилась ржавчина. При этом подвергшейся коррозии поверхностью стали считается такая, на которой имеются даже единичные поврежденные точки.
  2. Линейная коррозия. Рассчитывается в зависимости от плотности детали и толщины корродировавшего за год слоя изделия.

Какую величину лучше использовать? Если есть возможность точно взвесить деталь до и после ее эксплуатации либо оценить изменения в химическом составе раствора, в котором эта деталь функционировала, то предпочтительнее интегральная оценка коррозионных процессов. В частности, оценивают работоспособность контактной смазки. Если деталь проверяется лишь несколько раз за год либо оценку интенсивности коррозионных явлений необходимо выполнить оперативно, то лучше использовать второй параметр.

Определение быстроты процессов коррозии

Показатели коррозии помогают определить и интенсивность неблагоприятных изменений. Для этого используют понятие «скорость коррозии металла». Ее можно оценить двумя различными характеристиками, изменяющимися во времени.

Индикаторы коррозии можно установить по следующим количественным характеристикам:

  • по площади корродируемой поверхности;
  • по суммарной потере массы;
  • по изменениям в плотности;
  • по времени пребывания детали или конструкции в коррозионной среде (сутки);
  • по уменьшению толщины.

При этом количественными критериями для оценки характера коррозии стали в течение определенного периода времени могут быть:

  • абсолютные коррозионные потери по площади;
  • изменение линейных размеров изделия;
  • линейное коррозионное сопротивление;
  • скорость коррозии;
  • линейная скорость коррозии (миллиметров в год);
  • суммарная коррозионная стойкость или долговечность.

На практике применение того или иного критерия зависит от способа защиты металлической поверхности. Ее можно окрасить атмосферостойкими красками, а можно использовать металл с защитными покрытиями. Если коррозия протекает равномерно, тогда эффективность защиты может быть оценена более точно.

Если же интенсивность образования ржавчины в разных местах изделия различна, то выбрать наиболее целесообразный способ защиты можно только тогда, когда деталь нагружается внешними растягивающими напряжениями. Тогда со временем изменяется не только внешний вид поверхности, но и некоторые ее физические характеристики, в частности, теплопроводность и электросопротивление.

Индикаторами коррозии являются климатические факторы – температура, состав и относительная влажность окружающей среды, характер распределения внешних нагрузок.

Во внимание необходимо принимать также изменение освещенности по времени суток, количество осадков, возможное загрязнение воздуха.

Например, в зонах выбросов дымовых отходов вблизи химических комбинатов и металлургических производств, сопровождающихся резким увеличением процентного содержания SO2, коррозионные процессы резко активизируются.

В качестве индикаторов коррозионной активности можно использовать количественные зависимости коррозии от времени:

  1. Линейные – чаще всего это характерно для металлических поверхностей, не имеющих защитного покрытия.
  2. Экспоненциально убывающие – встречаются при кислотной коррозии обычных металлов и сплавов.
  3. Экспоненциально возрастающие – когда на поверхности детали имеется защитное покрытие.

Интенсивность образования ржавчины при таких условиях снижают:

  • малая скорость ветра;
  • пониженная цикличность во времени изменения показателей относительной влажности;
  • характер воздействия коррозионно-активной среды на поверхность.

При слабом ветре или его отсутствии нет условий для перемешивания потока, омывающего контактную поверхность стали.

При длительных фазах пониженной и повышенной влажности в течение года пленка поверхностной ржавчины успевает сформироваться, набухнуть и отделиться от основного металла.

Толщина поверхности снизится, зато коррозионные процессы вынуждены «запуститься» сначала, а для этого требуется не только время, но и подходящие условия – ветер или изменения в химическом составе воздуха, что бывает далеко не всегда.

Влага, кислота или щелочь могут попадать на поверхность стали в виде капель либо струйным путем. Первый способ характерен для зон с повышенным количеством осадков, а второй – для неблагоприятной окружающей среды, в которой функционирует деталь или металлическая конструкция.

Сделай сам
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: