Влияние различных факторов на грунтовую коррозию металлов

Грунтовые условия, в которых эксплуатируются металлические сооружения, весьма неодинаковы. Скорость коррозии металлов в грунте в значительной степени зависит от состава грунта, его влагоемкости (т.е. способности удерживать влагу) и воздухопроницаемости и определяется кинетикой электродных процессов, а в случае работы протяженных коррозионных пар также и омическим сопротивлением грунта. Следует отметить следующие основные факторы, определяющие скорость и характер грунтовой коррозии металлов:

1. Наличие влаги делает грунт электролитом и вызывает электрохимическую коррозию находящихся в нем металлов. Увеличение влажности грунта облегчает протекание анодного процесса (затрудняя пассивацию металла), уменьшает электросопротивление грунта, но затрудняет протекание катодного процесса при значительном насыщении водой пор грунта (уменьшая аэрируемость грунта и скорость диффузии кислорода). Поэтому зависимость скорости коррозии металлов от влажности грунта имеет вид кривых с максимумом (рис. 11) — при большем избытке воды скорость коррозии металлов падает вследствие торможения катодного процесса, что обусловлено сильным ростом толщины диффузионного слоя.

Рис. 11 Влияние влажности н скорость коррозии стали: 1 — в песке; 2 — в глине.

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. 13, а). В рыхлых, хорошо аэрируемых почвах наблюдается анодное торможение (рис. 13, б). При возникновении коррозионных пар, в которых анодные и катодные участки значительно удалены друг от друга, процесс характеризуется омическим торможением (рис. 13, в).

Рис. 12 Схема коррозии полисного трубопровода в условиях различной аэрации почв.

Рис. 13 Случаи контроля коррозионного процесса для различных условий почвенной коррозии: а — коррозия в большинстве почв с превалирующим катодным контролем; б — коррозия в рыхлых, сухих почвах (анодный контроль); в — коррозия при большой протяженности (превалирующий омический контроль).

• 3. Электропроводимость грунтов, которая колеблется от нескольких единиц до сотен Ом на метр зависит главным образом от его влажности, состава и количества солей и структуры. Увеличение засоленности грунта облегчает протекание анодного процесса (в результате депассивирующего действия особенно галоидных солей), катодного процесса (например, ускорение катодного процесса окисными солями железа) и снижает электросопротивление. Во многих случаях величина электропроводности почв и грунтов с достаточной точностью характеризует их коррозионную агрессивность для стали и чугуна (за исключением водонасыщенных грунтов) и используется в этих целях
• 4. Кислотность грунта, которая характеризуется колебаниями рН в пределах от 9 до 3, ускоряет коррозию в результате повышения растворимости вторичных продуктов коррозии и возможной дополнительной катодной деполяризации водородными ионами.
• 5. Неоднородность грунта по его структуре, плотности, составу, влажности, кислотности и т. д. приводит к возникновению макрокоррозионных пар и усилению коррозии металлов и ее неравномерности.
• 6. Микроорганизмы, находящиеся в большом количестве в почвах и грунтах, могут вызывать значительное местное ускорение коррозии металлов, в частности стали (рис.14). Коррозия металлов, вызванная или усиленная воздействием микроорганизмов называется биологической или биохимической.

Рис. 14 Схема коррозии стенок обсадных стальных труб нефтяных скважии вследствие биологической сульфат-редукции

Наибольшую опасность представляют анаэробные сульфат-редуцирующие бактерии, которые развиваются в илистых, глинистых и болотных грунтах, где возникают анаэробные условия. Эти бактерии в процессе жизнедеятельности восстанавливают содержащиеся в грунте сульфаты, потребляя образующийся при катодном процессе водород, до сульфид-ионов с выделением кислорода:

(3).

Не полностью используемый бактериями на окислительные процессы кислород обеспечивает протекание катодной деполяризацнонной реакции грунтовой коррозии стали в анаэробных условиях. Сероводород уменьшает перенапряжение водорода в кислых и слабокислых грунтах, облегчая протекание катодного процесса в этих условиях. Сульфид-ионы, действуя как депассиваторы, а также связывая железо в труднорастворимые и малозащитиые сульфиды, растормаживают анодный процесс коррозии стали. Скорость коррозионного разрушения стали при воздействии этих бактерий может возрастать в 20 раз.

Из аэробных бактерий наибольшее значение имеют серобактерии, которые в процессе жизнедеятельности окисляют сероводород в серу, а затем в серную кислоту по уравнениям:

(4).

(5).

Присутствие в коррозионной среде сульфидов и сероводорода приводит к образованию на поверхности изделия рыхлого слоя сульфида железа. Коррозия имеет питтинговый характер.

7. Температура грунта, которая в зависимости от географической широты, климатических условий, времени года и суток может меняться в пределах от -50 до +50°С, влияет на кинетику электродных процессов и диффузии, определяющих скорость грунтовой коррозии металлов. Обычно наблюдается экспоненциальное возрастание скорости грунтовой коррозии металлов с увеличением температуры, которое в координатах lg Km (скорости коррозии) — 1/Т дает прямую линию (рис. 15).

Рис. 15 Температурная зависимость скорости коррозии железа в различных грунтах, Залитых водой: 1 — гумус; 2 — инфузорная земля; 3 — речной песок; 4 — глина и суглинок.

Значения эффективной энергии активации процесса коррозии железа в различных водонасыщенных грунтах значительно превосходят значения энергии активации вязкости воды и подвижности водородных ионов, что указывает на существенное различие процессов диффузии в жидкой фазе грунтов и почв и в растворах электролитов. Возможны и отступления от экспоненциальной зависимости скорости грунтовой и почвенной коррозии металлов от температуры, связанные с более быстрым высыханием или с меньшей аэрацией грунта или почвы при повышении температуры.

Особенно резко повышается скорость коррозии металлов при оттаивании грунтов или почв и резко замедляется при замерзании грунтовой воды.

Различие температур на отдельных участках протяженных подземных сооружений может привести к возникновению термогальванических коррозионных макропар с соответствующим местным усилением — коррозии.

При наличии коррозии в результате работы макропар характер влияния изменения условий на скорость грунтовой коррозии металлов может существенно измениться. Так, если при работе микропар плотные, воздухонепроницаемые грунты являются наименее агрессивными, то при работе макропар неравномерной аэрации наибольшей коррозии подвергаются участки протяженных металлических конструкций (например, трубопроводов), находящихся именно в этих грунтах.