Почвенная коррозия

Почвенная коррозия. Почвенной коррозии подвергается археологический металл. Сохранность такого металла гораздо xyже, чем предметов, никогда не соприкасавшихся с почвой. Каковы же особенности почвы как коррозионной среды? Наличие влаги и растворенных в ней солей делает почву электролитом и вызывает электрохимическую коррозию металла. Увеличение влажности грунта, затрудняя доступ кислорода, замедляет пассивацию металла. В зависимости от содержания в почвенной влаге растворимых солей грунтовые воды подразделяются на пресные (до0,1%), солоноватые (от 0,1 до 1%), соленые (от I до 5%) и рассолы (от 5 до 40%). Большая часть соединений находится в грунтовых водах в виде ионов. Содержание аниона хлора в незасоленных почвах незначительно, благодаря хорошей растворимости и вымываемости его солей. В засоленных почвах количество хлоридов, сульфатов, карбонатов достигает значительной величины. Величина рН изменяется в зависимости от общей минерализации грунтовых вод и присутствия в них кислот, кислых и основных солей. По величине рН различают сильнокислые почвы (3-4,5), кислые (4,5-5,5), слабокислые (5,5-6,5), нейтральные (6,5-7), слабощелочные (7-7,5)-, щелочные (7,5-8,6) и сильно-щелочные (8,5-9). Содержание кислорода, углекислого газа и азота в почвенном и атмосферном воздухе различно. В почвенном воздухе наблюдается более высокое содержание углекислоты (0.1-0.5%) по сравнению с атмосферным (0,03%). Это обусловлено протекающими в почве биохимическими процессами. Содержание кислорода в почве колеблется от 2 до 0,1% (в атмосфере 21%). Почвенный воздух всегда насыщен парами воды. Его относительная влажность обычно около 100%. Коррозионную активность почвы с достаточной точностью характеризует величина электропроводности, которая зависит от влажности, состава и количества солей и структуры. Неоднородность почвы по структуре, плотности, составу, влажности, кислотности и др. приводит к усилению неравномерности коррозии. Коррозионная активность почвы меняется во времени. Кроме того, существуют местные причины, которые влияют на агрессивность - применение удобрений, повышение концентрации вредных газов в атмосфере вблизи индустриальных центров, понижение уровня почвенных вод в результате строительства ирригационных сооружений и др.

Факторы, от которых зависит  скорость и характер протекания почвенной  коррозии металлов: Почвенный климат.

Почвенным климатом называется гидротермический режим  почвы, формирующийся в ней под  влиянием атмосферного климата и  физических свойств самой почвы. Почвенный климат имеет мало общего с привычным для нас атмосферным  климатом и отличается от него температурой, влажностью, давлением воздуха и  паров воды, а также другими  характеристиками.

Особенностями почвенного климата, весьма существенно  влияющими на «жизнь» металлического сооружения в почвенной среде, являются:

1) резкий перепад  температур по вертикальному  направлению и периодические  изменения температурного профиля  по времени года и в течение  суток;

2) постоянная  насыщенность почвенного воздуха  водяными парами и перемещение  их в зоне аэрации (выше уровня  грунтовых вод) от горизонтов  более нагретых к горизонтам  менее нагретым.

Вертикальный  профиль распределения температур не является постоянным для каждой точки. В результате местных изменений  рельефа и микрорельефа, характера  поверхности, структуры, механического  состава и других свойств почвы  вдоль трассы распределение температур в почве изменяется. Особенно большое  влияние на распределение температур оказывает характер поверхности.

Благодаря суточному  и годовому ходу нагревания и охлаждения почвы в ней в каждый данный момент создается особый вертикальный профиль распределения температуры  и влажности почвенного воздуха. В связи с этим на различных  вертикальных и горизонтальных сечениях подземного сооружения, находящегося в почве, имеют место различные гидротермические условия. Даже при небольших размерах сооружения по вертикали (например, трубопровода) в летний период верх его будет нагрет больше, чем низ, а зимой наблюдается обратная картина. Разница в температурах противоположных (по вертикали) частей сооружения тем больше, чем ближе к поверхности заглублено сооружение и чем больше его размеры по высоте. Конечно, высокая теплопроводность металла в какой-то степени способствует выравниванию температур между смежными участками сооружения, но это не может исключить дифференциальности явления.

Совершенно очевидно, что неустойчивость, «текучесть»  и дифференцированность гидротермических условий в окружающей почвенной среде отражается на службе подземного сооружения.

Различие в  температурах отдельных частей сооружения неизбежно ведет к возникновению  некоторой разности потенциалов  между смежными его участками, поскольку  электродный потенциал металла  при прочих равных условиях является также и функцией температуры. Однако дело не только в прямом влиянии  температуры на электродный потенциал  корродирующего металла. Вероятно, значительно более существенную роль в процессе коррозии играет перемещение и конденсация паров воды, которые стимулируются в почвенной среде резкими перепадами температур по глубине.

Пары воды в  соответствии с физическими законами мигрируют из мест более нагретых к местам менее нагретым, где конденсируются и оседают в виде капельно жидкой влаги на поверхности сооружения.

Распределение локальных участков, где создаются  условия для конденсации влаги, носит эфемерный характер и находится  в связи с распределением температур в данный момент. С изменением картины  распределения температур будут  исчезать одни участки конденсации  паров воды и возникать другие, в которых в данный момент соотношение температуры сооружения и влажности почвенного воздуха будет соответствовать точке росы. Неизменным результатом этих процессов является то, что различные участки поверхности сооружения в разное время приобретают различную влажность за счет дополнительного увлажнения конденсационной влагой, что увеличивает коррозию сооружения.

Не следует  также упускать из виду, что почвенно-климатические  процессы оказывают также огромное косвенное влияние на сооружение, разрушающе действуя на защитные изолирующие  покрытия.

Принимая во внимание только почвенно-климатический  фактор коррозии, можно считать, что  условия работы металлического сооружения тем лучше, чем больше оно заглублено в грунт.

Задача исследования коррозионности почвы сводится к тому, чтобы из большого числа одновременно действующих переменных факторов выявить контролирующий фактор, которым в данных конкретных условиях определяется характер и скорость коррозионного процесса. Определение контролирующего фактора дает ключ к правильному пониманию особенностей коррозионного процесса в той или иной конкретной обстановке и обоснованному выбору защитных противокоррозионных мероприятий

ПОДЗЕМНАЯ КОРРОЗИЯ, коррозия металлич. сооружений в почвах и грунтах. По своему механизму является электрохим. коррозией металлов. П. к. обусловлена тремя факторами: коррозионной агрессивностью почв и грунтов (почвенная коррозия), действием блуждающих токов и жизнедеятельностью микроорганизмов. Коррозионная агрессивность почв и грунтов определяется их структурой, грану-лометрич. составом, уд. электрич. сопротивлением, влажностью, воздухопроницаемостью, рН и др. Обычно коррозионную агрессивность грунта по отношению к углеродистым сталям оценивают по уд. электрич. сопротивлению грунта, средней плотности катодного тока при смещении электродного потенциала на 100 мВ отрицательнее коррозионного потенциала стали; по отношению к алюминию коррозионная активность грунта оценивается содержанием в нем ионов хлора, железа, значением рН, по отношению к свинцу-содержанием нитрат-ионов, гумуса, значением рН.

Осн. источники блуждающих токов в земле -электрифи-цир. железные дороги постоянного тока, трамвай, метрополитен, шахтный электротранспорт, линии электропередач постоянного тока по системе провод - земля. Наиб. разрушения блуждающие токи вызывают в тех местах подземного сооружения, где ток стекает с сооружения в землю (т. наз. анодные зоны). Потери железа от коррозии блуждающими токами составляют 9,1 кг/А·год. На подземные металлич. сооружения могут натекать токи порядка сотен ампер и при наличии повреждений в защитном покрытии плотность тока, стекающего с сооружения в анодной зоне, настолько велика, что за короткий период в стенках сооружения образуются сквозные повреждения. Поэтому при наличии анодных или знакопеременных зон на подземных металлич. сооружениях коррозия блуждающими токами обычно опаснее почвенной коррозии.

Биокоррозия подземных сооружений обусловлена в осн. жизнедеятельностью сульфатвосстанавливающих, сероокис-ляющих и железоокисляющих бактерий, наличие к-рых устанавливают бактериологич. исследованиями проб грунта. Сульфатвосстанавливающие бактерии присутствуют во всех грунтах, но с заметной скоростью биокоррозия протекает только тогда, когда воды (или грунты) содержат 10⁵-10⁶ жизнеспособных бактерий в 1 мл (или в 1 г).

Существуют  разл. способы защиты металлич. сооружений от П. к.: ограничение проникновения блуждающих токов, предотвращение контакта сооружения с почвой, электрохим. защита. Для уменьшения утечки токов из рельсовой сети в землю необходимы хорошая продольная проводимость рельсовой сети (содержание в образцовом состоянии стыковых межрельсовых и обходных соединителей) и высокое переходное сопротивление между рельсовым путем и землей (наличие щебеночного, гравийного или др. балласта, зазора между балластом и подошвой рельса). Чтобы уменьшить влияние блуждающих токов, стремятся удалить трассы для прокладки подземного сооружения от источников блуждающих токов, сократить число пересечений с рельсовыми путями электрифицир. транспорта, увеличить переходное сопротивление между сооружением и землей и сопротивление самого сооружения. Подземные сооружения стремятся прокладывать по трассам с миним. коррозионной активностью; используют прокладку в неметаллич. трубах, блоках, каналах, туннелях, коллекторах и т.п. Однако наиб. ответственным и эффективным элементом всей системы противокоррозионной защиты является нанесение изолирующих покрытий. Широкое распространение получили каменноугольные смолы и битумные покрытия; покрытия на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полипропилена, эпоксидной смолы и др. полимеров.

Сплошность покрытия часто нарушается в период стр-ва подземных металлич. сооружений и в условиях их эксплуатации. Образовавшиеся места оголений металла защищают катодной поляризацией-созданием на металле защитного потенциала по отношению к окружающей среде (см. Электрохимическая защита). При защите от почвенной коррозии создаваемый миним. защитный потенциал должен быть по абс. величине не менее: для стали и алюминия 0,85 В в любой среде; для свинца 0,5 В в кислой среде, 0,72 В в щелочной среде (по отношению к медносульфатному электроду сравнения). Такие же средние значения поляризац. потенциалов должны быть выдержаны при защите от коррозии блуждающими токами. При защите от биокоррозии поляризац. потенциал должен быть для чугуна и стали менее 0,95 В (по отношению к медносульфатному электроду сравнения).

Установка катодной электрохим. защиты состоит из преобразователя (источника постоянного тока), анодного заземления и соединит. кабелей. Контакт с сооружением осуществляется непосредств. подключением к нему проводника от отрицат. полюса источника тока, а контакт проводника от положит. полюса с грунтом - через железокрем-ниевые, графитовые или стальные анодные заземлители. Катодную поляризацию подземных сооружений осуществляют также с помощью металлич. протекторов, у к-рых собств. поляризац. потенциал более отрицателен, чем у защищаемого сооружения. При этом создается гальванич. пара, в к-рой сооружение является катодом, а протектор-анодом.

При защите от коррозии блуждающими токами используют электрич. дренажи (прямые, поляризованные и усиленные). При прямом дренаже соединяют рельсы с защищаемым сооружением через нек-рое ограничивающее сопротивление. При этом рельсы имеют стабильный отрицат. потенциал по отношению к сооружению. Ток с сооружения стекает непосредственно в рельсы. T. наз. поляризованные дренажи обладают односторонней проводимостью (от сооружения к рельсам), к-рая обеспечивается включением в цепь вентилей (вентильный дренаж) либо поляризованного реле (электромагн. дренаж). Усиленный дренаж представляет собой установку катодной защиты, у к-рой вместо заземлителя используют рельсовую цепь электрифицир. дороги.