1841

ках, полностью компенсируется током, идущим на восстановление О2 на катодных участках. Стационарные потенциалы обычно измеряют относительно медносульфатного неполяризующегося электрода сравнения, который практически не изменяет потенциала при прохождении через него тока и имеет определённый равновесный потенциал, равный 0,34В относительно нормального водородного электрода.

Значение стационарного потенциала углеродистых и низколегированных сталей в грунте по отношению к медносульфатному электроду сравнения примерно одинаково и близко к – 0,55В. В зависимости от состава и влажности грунтов, а также состояния защитных покрытий величина стандартного потенциала может колебаться на ±0,2В. Смещение потенциала в отрицательную сторону происходит при увеличении влажности, снижении удельного электрического сопротивления защитного покрытия. Во влажной и глинистой почве стационарный потенциал более отрицателен, чем в песчаной. Во влажной и глинистой почве он может достигать –0,7…–0,8В, а в песчаных –0,3…–0,4В по отношению к медносульфатному электроду сравнения. Продукты коррозии, содержащиеся на поверхности металла, смещают величину стационарного потенциала в положительную сторону. Чем отрицательнее стационарный потенциал металлической конструкции в почве или грунте, тем сильнее она склонна подвергаться коррозии. Однако даже при отсутствии блуждающих токов и токов катодной защиты величина стационарного потенциала не является однозначным показателем коррозионной опасности подземного металлического сооружения.

Потенциал любого электрода при погружении его в электролит в той или иной степени изменяется, когда через него пропускается электрический ток и достигает значения, которое называется потенциалом под током, или поляризационным потенциалом. При этом происходит поляризация электрода.

Поляризация – это любое трансформирование поверхности металла, находящегося в электролите, возникающее в результате воздействия входящего или выходящего тока и связанное с изменением потенциала на границе раздела «металл – электролит».

Причиной возникновения поляризации является замедленное протекание какой-либо стадии коррозионного процесса. Такой замедленной стадией чаще всего является изменение концентрации катионов металла, водорода, свободного кислорода в приэлектродном слое. Такая поляризация называется концентрационной. Зависимость потенциала от концентрации ионов металла или водорода описывается уравнением Нернста:

121

где Men – нормальный потенциал данного металла; R – универсальная

Meo

газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль·К); Т – абсолютная температура; F – число Фарадея, равное 96480 Кл/моль; n – степень окисления металла, которую он проявляет в данной электродной реакции; CMen –

концентрация собственных ионов металла в растворе, моль/дм3.

Если замедленной стадией является процесс растворения металла на анодных участках поверхности, то наблюдается анодная поляризация, при которой потенциал металла смещается в более положительную сторону. При электрохимической коррозии металла любого вида имеет место поляризация. Поляризация задерживает разрушение металла, уменьшая скорость электрохимических процессов.

Процессы деполяризации уменьшают поляризацию, смещение потенциалов у электродов и увеличивают скорость коррозии.

Зависимости скоростей анодной и катодной реакции коррозионного процесса представлены на поляризационных коррозионных диаграммах

(рис. 3.2.1).

122

Рис. 3.2.1. Коррозионные диаграммы для различных контролирующих факторов процесса коррозии:

а – катодный контроль; б – анодный контроль; в - катодно-омический контроль

Наклон поляризационных кривых характеризует скорость протекания электродной реакции и находится в прямой зависимости от поляризационного сопротивления и силы тока: чем меньше угол наклона, тем больше скорость электродной реакции, так как снижается сопротивление электрода протеканию на нём реакции. Величины tg(α) и tg(β) представляют собой поляризационные сопротивления катода Rк и анода Rа, соответственно. Сопротивления Rк и Rа определяют контролирующий фактор процесса коррозии.

Скорость коррозии металла в грунте и почве зависит от многих их свойств: структуры, пористости, влажности, минерализации грунтовых вод, рН, воздухопроницаемости, удельного электрического сопротивления и температуры среды. Влагоёмкость и водопроницаемость определяются структурой и пористостью почв и грунтов. Влажность – это степень наполнения водой почвы; она равна отношению массы воды, находящейся в единице объёма почвы, к массе твёрдого сухого вещества в этом же объёме. Влажность существенно влияет на коррозионный процесс. При увеличении влажности уменьшается удельное электрическое сопротивление почвы, и это стимулирует протекание коррозионных процессов. С влажностью почвы связана её аэрируемость, или воздухопроницаемость. Изменение этих свойств по глубине залегания подземного металлического сооружения является причиной образования пар дифференциальной аэрации: при недостатке кислорода образуется анод, а при его избытке – катод электрохимической пары.

Солевой состав почвы и значение рН почвенного электролита не являются однозначными показателями степени коррозионной активности почвы. В солончаковых почвах наблюдается значительное количество ионов Сl−, поэтому эти почвы коррозионно-активны по отношению к стали. Кислые, гумусовые и болотные почвы имеют низкое значение водородного показателя рН. По величине рН почвы делятся на кислые с рН=0…5; нейтральные – с рН=6…8; щелочные – с рН=9…14. Минимальная агрессивность почвы для некоторых металлов наблюдается при следующих значениях рН: железо – 10…14; свинец – 7…8; алюминий – 6…7.

Присутствующие в почве ионы Cl− и SO24 затрудняют образование

сплошных защитных плёнок. Высокое содержание хлоридов сопровождается интенсивной коррозией стали. Для алюминиевых конструкций опасно присутствие в почве и грунте растворимых хлористых солей, а для свинцовых оболочек кабелей опасно присутствие органических и азотистых соединений.

123

Интегральным показателем, характеризующим все перечисленные факторы, является удельное электрическое сопротивление почвы ρ, равное сопротивлению протеканию электрического тока в условном почвенном проводнике площадью поперечного сечения 1 м2 и длиной 1 м. В определённом диапазоне между ρ и коррозионной активностью почвы существует прямая зависимость: чем меньше удельное электрическое сопротивление почвы, тем больше интенсивность коррозии. Величина ρ наиболее точно характеризует коррозионную активность почв и грунтов по отношению к стали.

Коррозионную активность грунтов по отношению к стали подземных сооружений оценивают по удельному сопротивлению грунта, по потере массы образцов и плотности поляризующего тока (табл. 3.2.1).

Таблица 3 . 2 . 1 Коррозионная активность грунтов по отношению к стали

Коррозию подземных металлические сооружений вызывают и блуждающие токи. Основные источники блуждающих токов в земле – это пути электрифицированного рельсового транспорта, работающего на постоянном или переменном токе промышленной частоты (рельсы железных дорог, трамвая, метрополитена), линии электропередачи по системе «провод – земля». При протекании тягового тока по рельсам вследствие несовершенной электроизоляции происходит утечка тока в грунт, что сопровождается падением напряжения. Суммарный ток утечки зависит от параметров рельсового пути: чем меньше продольное и больше переходное сопротивление пути, тем меньше суммарное падение напряжения. Наличие блуждающих токов по трассе проектируемого подземного металлического сооружения определяется по результатам измерений разности потенциалов между проложенными в данном районе подземными металлическими конструкциями и землей. Для измерения разности потенциалов применяют высокоомные вольтметры с внутренним сопротивлением не менее 20 кОм. Контакт с грунтом осуществляется с помощью стального или неполяризующего электрода сравнения. Показания вольтметра рекомендуется отмечать через каждые 5…10 минут в каждом измерении. Если разность потенциалов изменяется по величине и знаку или только по величине, то это указывает на наличие в земле блуждающих токов. Если же измеряемая разность потенциалов имеет устойчивый характер, то это указывает на наличие в земле токов почвенного происхождения, либо токов от линии

124

передач постоянного тока по системе «проводник – земля». Распределение блуждающих токов в земле зависит от потенциалов рельсов относительно окружающей среды, которые непрерывно изменяют свою величину в результате постоянного изменения нагрузки подвижного состава. В зависимости от числа и расположения электровозов потенциалы отдельных участков рельсового пути будут изменяться как по величине, так и по знаку.

Протекающие в земле блуждающие токи, встречая на своем пути металлические конструкции, проникают в них и текут на некотором протяжении, создавая анодные и катодные зоны.

Подземные сооружения, находящиеся под действием блуждающих токов, обладают обратной полярностью по отношению к грунту по сравнению с соответствующими участками рельсовой сети. Коррозия металла в поле блуждающих токов протекает по законам электролиза. При этом разрушение металла интенсифицируется процессами почвенной коррозии. Совпадение анодных зон коррозионных пар и блуждающих токов приводит к усилению коррозии. При больших потенциалах блуждающих токов наблюдается подавление тока анодной цепи макропар, возникающих в процессе почвенной коррозии, и распространение разрушения на все макроучастки сооружения в анодной зоне блуждающих токов. Длина этих зон определяется изменением потенциала на границе контакта «сооружение – грунт».

Блуждающие токи смещают величину поляризационного потенциала сооружения в анодных зонах в положительную сторону относительно стационарного потенциала, а в катодных зонах – в более отрицательную область значений. Если анодная зона блуждающих токов устойчива, то интенсивность процесса коррозии не зависит от величины рН грунтов и от их солесодержания. Степень коррозионной опасности, в основном, определяется поверхностной плотностью тока утечки. Существенным фактором, ограничивающим блуждающие токи, является изоляция подземного сооружения. Сопротивление изоляции подземной металлической конструкции – наиболее существенный фактор ограничения блуждающих токов, воздействующих на сооружение.

В знакопеременной зоне влияния блуждающих токов материальные потери от коррозии снижены. По мере увеличения частоты тока отклонение от закона Фарадея также увеличивается. Степень несимметрии блуждающих токов по амплитуде, а также неравенство продолжительности анодных и катодных импульсов могут быть охарактеризованы усреднённым коэффициентом γ:

125

где q и q – количество электричества, «стекающего» с сооружения во

время анодных и катодных импульсов соответственно.

Оценку степени коррозионной опасности в знакопеременных зонах производят, измеряя разность потенциалов «сооружение – грунт». Коэффициент несимметричности блуждающих токов рассчитывают по формуле

где S и S – суммарная площадь положительных и отрицательных импульсов за время измерения соответственно.

При планиметрировании анодных и катодных импульсов за нулевую линию принимают линию стационарного потенциала φст.. Для стали

принято φст=0,55 В, для Рb – φст= 0,44 В, а для Аl – γст= –0,7 В.

Коэффициент γ изменяется в пределах от 0 до 1. Устойчивому катодному состоянию сооружения соответствует предельное значение γ=0, а устойчивому анодному состоянию – γ=1.

Знакопеременный блуждающий ток со значительным преобладанием катодных импульсов создает условия, приближающиеся к условиям коррозионной безопасности (табл. 3.2.2).

Таблица 3 . 2 . 2 Оценка степени коррозионной безопасности в знакопеременных зонах

В результате воздействия блуждающих токов на сооружениях из металла могут создаваться условия для искрообразования и процесса электрохимической коррозии. Продукты коррозии, образующиеся на поверхности стали в грунтах при воздействии переменного тока, более плотные, чем продукты коррозии при действии постоянного тока. Неравномерность и несплошность их активизируют действие переменного тока, так как в местах оголения металла резко возрастает плотность тока утечки, вследствие чего активно развиваются локальные поражения стали в виде питтингов и глубоких язв, создающие опасность сквозных повреждений.

126

Смещение электродного потенциала металлоконструкции, вызванного переменным током, измеряют по схеме с компенсацией стационарного потенциала (рис. 3.2.1).

Рис. 3.2.1. Компенсационная схема измерения разности потенциалов «сооружение – грунт»:

1 – сооружение; 2 – милливольтметр; 3 – сопротивление 100 Ом;

4 – дроссель индуктивностью не менее 100 мГ; 5 – элемент типа 1,6-ФМЦ-V-3,2; 6 – регулируемое сопротивление 500 Ом; 7 – медносульфатный электрод сравнения

Если смещение электродного потенциала в отрицательную сторону на протяжении замеров неизбежно совпадает с увеличением переменного потенциала подземного сооружения по отношению к земле, то оно связано с воздействием переменного тока и свидетельствует о наличии коррозионной опасности.

3.3. Методы защиты от подземной ЭХК коррозии

Защита подземных металлических сооружений делится на пассивную и активную. К пассивной защите относятся: изоляция сооружения от контакта с окружающим грунтом и ограничение влияния блуждающих токов. Активной защитой является создание защитного потенциала сооружения по отношению к окружающей среде.

Изоляция металлоконструкции от контакта с окружающей средой осуществляется выбором соответствующего для данной конструкции защитного покрытия, в наибольшей степени отвечающего условиям эксплуатации; рациональным выбором места расположения металлического сооружения; использованием специальных способов прокладки в

127

каналах, блоках, туннелях, коллекторах. Протяжённые подземные металлические сооружения должны прокладываться по трассам с наименьшей коррозионной опасностью: не агрессивные грунты, отсутствуют свалки мусора, промышленных отходов, стоки вод промышленных и коммунальных предприятий.

Влияние блуждающих токов уменьшают с помощью мероприятий по снижению силы блуждающих токов непосредственно на их источниках и на подземных металлических конструкциях, подверженных действию этих токов. Для этого следует относить сооружения на расстояние более 500 м от полосы отвода железной дороги, электрифицированной переменным током; относить трассу сооружения на расстояние более 100 м от рельсового пути постоянного тока.

Покрытия, защищающие подземные металлические сооружения от коррозии, должны отвечать следующим требованиям:

1)быть химически-, атмосферо- и биостойкими, эластичными и сплош-

ными;

2)иметь хорошую адгезию к металлу конструкции;

3)обладать высокой диэлектрической проницаемостью;

4)обладать высокой механической прочностью;

5)сохранять защитные свойства при отрицательных и положительных температурах;

6)сопротивляться осмосу и электроосмосу;

7)не должен содержать компонентов, вызывающих коррозию защищаемого металла.

Защитные покрытия делятся на нормальные, усиленные и очень усиленные. В зависимости от используемых материалов покрытия бывают:

а) полимерные, экструдированные из расплава, сплавляемых на трубах из порошков, накатываемые на трубы из эмалей, из липких изоляционных лент;

б) битумные и каменноугольные мастики.

На стальных подземных большой протяженности газопроводах, нефтепроводах, нефтепродуктопроводах применяют полимерные, битумно-рези- новые, битумно-полимерные и другие защитные покрытия, которые в зависимости от защитной способности делятся на два типа: нормальные и усиленные.

На газопроводах с давлением до 1,2 МПа, нефтегазопродуктопроводах

иих ответвлениях, предназначенных для газоснабжения городов, населенных пунктов в сельской местности и промышленных предприятиях, защитное покрытие выбирают в зависимости от условий прокладки, температуры и диаметра трубопровода.

На магистральных трубопроводах диаметром 1020 мм и более независимо от удельного сопротивления грунта, а также на всех трубопроводах, прокладываемых в засоленных почвах любого района страны, в болотис-

128

130