7.2.2. Коррозия металлических элементов подземных конструкций

Подземная коррозия металлов принадлежит к числу наиболее сложных видов коррозии. Скорость ее определяется коррозионной активностью грунта, которую принято оценивать тем сроком, по истечении которого, на новом трубопроводе возникнет первый сквозной питтинг (каверна). При наиболее низкой коррозионной активности грунта проявление сквозного разрушения металла наступает после 25 лет, при очень высокой – через 1–3 года. Различают следующие виды коррозии.

Подземная коррозия – коррозия в грунтах, вызываемая коррозионными элементами, возникающими на металле в местах соприкосновения его с коррозионной средой вследствие неоднородности металла сооружения, неодинакового состава грунта, различия температур, влажности и воздухопроводности грунта на различных участках сооружения.

Подземная биокоррозия – это коррозия, вызываемая жизнедеятельностью микроорганизмов, воздействующих на металл, обычно процесс завершается электрохимической коррозией.

Электрокоррозия – коррозия металлических подземных сооружений под действием токов утечки с рельсов электрифицированных железных дорог и других промышленных установок. Она подразделяется на коррозию блуждающими токами и коррозию внешним током [78].

Причинами подземной коррозии являются:

1) воздействие грунтовой влаги на металлические конструкции, в результате чего возникают коррозионные элементы;

2) явления электролиза, происходящие в грунтах вследствие воз­действия блуждающих токов при наличии вокруг трубопроводов элект­ролита;

3) действие находящихся в грунте микроорганизмов, вызывающих явления биокоррозии.

Коррозионная активность грунтов зависит от многих факторов, к числу которых относятся их химико-минеральный состав (и в первую очередь состав и количество растворимых солей), влажность, содер­жание газов, структура, электропроводность и бактериальный состав. Коррозионная активность увеличивается с ростом влажности, электро­проводности, с увеличением содержания С1^– и SО4²⁺ в поровом растворе и кислорода в свободном воздухе, заполняющем поры грунта.

Степень агрессивного воздействия сред на металлические конструкции (при свободном доступе кислорода в интервале температур от 0 до 50 °С и скорости движения до 1 м/с) приведены в табл. 7.6.

Коррозия возникает в результате электролиза, который начинается в грунтах после воздействия блуждающих электрических токов на поровый водно-солевой раствор. В этом процессе вода пор становится электролитом. Коррозионное разрушение характерно городским территориям, где развито трамвайное движение, на участках магистральных трубопроводов в заболоченных местностях.

В грунтах содержатся влага и различные химические реагенты, поэтому они обладают ионной проводимостью и в большинстве случаев, за исключением очень сухих грунтов, механизм подземной коррозии – электрохимический. Наиболее характерным катодным процессом в подземных условиях является кислородная деполяризация. В кислых грунтах может проходить коррозия с водородной деполяризацией.

Пример работы коррозионного элемента в грунте приведен на рис. 7.1 [78]. На аноде протекает реакция окисления железа с образованием гидратированных ионов:

Fe + mH₂O →→ Fe²⁺mH₂O + 2e.

На катоде протекает реакция ионизации кислорода:

O₂ + 2H₂O + 4e →→ 4OH⁻.

В электролите почвы ионы Fe₂+ и OH⁻ взаимодействуют друг с другом, образуя нерастворимый осадок гидроксида железа, который затем может перейти в оксид железа:

Fe₂⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂,

2Fe(OH)₂ → Fe₂O₃ + H₂O.

Таблица 7.6

Степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на металлические конструкции [105]

Неорганические жидкие среды	Водородный показатель рН	Суммарная концентрация сульфатов и хлоридов, г/л	Степень агрессивного воздействия сред на металл конструкций
Пресные природные воды	Св. 3 до 1 1 То же До 3	До 5 Св. 5 Любая	Среднеагрессивная Сильноагрессивная ‘’
Морская вода	Св. 6 до 8,5	Св. 20 до 50	Среднеагрессивная
Производственные оборотные и сточные воды без очистки	Св. 3 до 11	До 5 Св. 5	‘’ Сильноагрессивная
Сточные жидкости животноводческих зданий	Св. 5 до 9	До 5	Среднеагрессивная
Растворы неорганических кислот	До З	Любая	Сильноагрессивная
Растворы щелочей	Св. 11	,,	Среднеагрессивная
Растворы солей концентрацией св. 50 г/л	Св. 3 до 11	,,	Сильноагрессивная

Анодные и катодные процессы, в большинстве случаев, протекают на различных участках, т. е. поверхность корродирующего металла состоит из некоторого числа коррозионных микроэлементов и общая скорость коррозии зависит от числа таких элементов и интенсивности их работы. Такой механизм коррозии называют гетерогенно-электрохимическим. Общая скорость коррозии определяется скоростью процесса, протекающего медленнее других. Процесс, кинетика которого определяет общую скорость коррозии, называется контролирующим.

В зависимости от условий возможны следующие виды контроля подземной коррозии металлов:

• преимущественно катодный контроль – во влажных грунтах;

• Рис. 7.1. Работа коррозионного микроэлемента

  преимущественно анодный контроль – в рыхлых и сухих грунтах;

• смешанный катодно-омический контроль – при грунтовой коррозии металлических конструкций, вследствие работы протяженных макропар (трубопроводы).

В большинстве случаев коррозия подземных сооружений протекает с преимущественным катодным контролем, обусловленным задержкой доставки кислорода к поверхности металла.

Как было отмечено, скорость коррозии металла в грунте зависит от коррозионной активности грунта, т. е. от некоторых его свойств: воздухопроводности, структуры, пористости, влажности, минерализации вод, кислотности, удельного электрического сопротивления и температуры среды.

Наличие влаги делает грунт электролитом и вызывает электрохимическую коррозию металлов. Увеличение влажности грунта ускоряет протекание анодного процесса, снижает сопротивление электролита и затрудняет протекание катодного процесса при значительном содержании воды в грунте. Максимальная скорость подземной коррозии наблюдается в грунтах, содержащих 15–25  % влаги. На рис. 7.2 показано влияние влажности грунта на скорость коррозии стали. Для каждого грунта существует определенный интервал влажности, соответствующий максимальной скорости коррозии. Пористые грунты могут сохранять влагу в течение длительного времени и создавать благоприятные условия для аэрации (диффузии кислорода). Повышение воздухопроводности грунтов ускоряет коррозионный процесс, вследствие облегчения протекания катодного процесса.

Наличие в грунте водорастворимых солей способствует увеличению их электропроводности. Наиболее сильно влияют на коррозионный процесс ионы Cl⁻, NO³⁻, SO₄²⁻, НСО³⁻, Са²⁺, Mg²⁺, Na²⁺ и др.

Кислотность грунта колеблется в широких пределах (рН 3–9). Очень кислые грунты ускоряют коррозию металлов в результате повышения растворимости вторичных продуктов коррозии и возможной дополнительной водородной деполяризации. По величине рН различают кислые (рН 3–5), нейтральные (рН 6–8) и щелочные (рН 9–10) грунты.

Микроорганизмы, находящиеся в грунтах, могут вызывать значительное местное ускорение коррозии металлов. Наибольшую опасность представляют анаэробные сульфат-редуцирующие бактерии, которые развиваются в илистых, глинистых и болотистых грунтах. Бактерии в процессе жизнедеятельности восстанавливают содержащиеся в грунте сульфаты, потребляя образующийся при катодном процессе водород, до сульфид-ионов с выделением кислорода:

MgSО₄ + 4H = Mg(OH)₂ + H₂S + О₂.

Выделяющийся кислород принимает участие в катодной деполяризации коррозионного процесса. Сульфид-ион является депассиватором, а также связывает ионы железа, образуя малозащитные пленки сульфида, и тем самым облегчает анодный процесс.

Рис. 7.2.  Влияние влажности на скорость коррозии стали: 1 – в песке; 2 – в глине [78]

Температура грунта влияет на кинетику электродных процессов и диффузию, определяющие скорость коррозии. Обычно с увеличением температуры наблюдается экспоненциальное возрастание скорости подземной коррозии металла. Различие температур на отдельных участках протяженных подземных сооружений может привести к возникновению термогальванических коррозионных элементов, усиливающих коррозию [78].

Удельное электрическое сопротивление грунта является функцией всех рассмотренных свойств грунта и представляет один из наиболее характерных показателей коррозионной активности грунтов по отношению к стали. В определенных границах существует прямая зависимость: чем меньше удельное электрическое сопротивление, тем больше скорость коррозии. Таким образом, коррозионную активность грунтов по отношению к стали оценивают [45]:

• по удельному электросопротивлению,

• по средней катодной плотности тока при смещении потенциала катода на 100 мВ отрицательнее потенциала коррозии стали.

В табл. 7.7 приведены значения удельных электрических сопротивлений грунта и средних плотностей катодного тока, характеризующие коррозионную активность грунтов по отношению к стали.

Таблица 7.7

Коррозионная активность грунтов по отношению к стали

Коррозионная активность	Удельное электросопротивление грунта, Ом·м	Средняя плотность катодного тока, А/м2
Низкая	Свыше 50	До 0,05
Средняя	От 20 до 50	От 0,05 до 0,20
Высокая	До 20	Свыше 0,20

Коррозионная агрессивность грунтов и грунтовых вод по отношению к свинцовым оболочкам кабелей приведена в табл. 7.8 и 7.9, по отношению к алюминиевой оболочке – в табл. 7.10 и 7.11 [45].

Таблица 7.8

Коррозионная агрессивность грунтов по отношению к свинцовой оболочке кабеля

Коррозионная агрессивность грунта	Значение рН	Массовая доля компонента, % от воздушно-сухой массы
		Органическое вещество (гумус)	Нитрат-ион
Низкая	От 6,5 до 7,5 включ.	До 0,01 включ.	До 0,0001 включ.
Средняя	От 5,0 до 6,5 включ. От 7,5 до 9,0 включ.	От 0,01 до 0,02 включ.	От 0,0001 до 0,001 включ.
Высокая	До 5,0 Св. 9,0	Св. 0,02	Св. 0,001

Таблица 7.9

Коррозионная агрессивность грунтовых вод по отношению к свинцовой оболочке кабеля

Коррозионная агрессивность грунтовых вод	Значение рН	Общая жесткость, мг-экв/л*	Концентрация компонентов, мг/дм3
			Органическое вещество (гумус)	Нитрат-ион
Низкая	От 6,5 до 7,5 включ.	Св. 5,3	До 20 включ.	До 10 включ.
Средняя	От 5,0 до 6,5 включ. От 7,5 до 9,0 включ.	От 5,3 до 3,0 включ.	От 20 до 40 включ.	От 10 до 20 включ.
Высокая	До 5,0 Св. 9,0	До 3,0	Св. 40	Св. 20

Таблица 7.10

Коррозионная агрессивность грунтов по отношению к алюминиевой оболочке кабеля

Коррозионная агрессивность	Значение рН	Массовая доля компонентов, % от массы воздушно-сухой
		Хлор-ион	Ион железа
Низкая	От 6,0 до 7,5 включ.	До 0,001 включ.	До 0,002 включ.
Средняя	От 4,5 до 6,0 включ. От 7,5 до 8,5 включ.	От 0,001 до 0,005 включ.	От 0,002 до 0,01 включ.
Высокая	До 4,5 Св. 8,5	Св. 0,005	Св. 0,01

Таблица 7.11

Коррозионная агрессивность грунтовых вод по отношению к алюминиевой оболочке кабеля

Коррозионная агрессивность	Значение рН	Концентрация компонентов, мг/дм3
		Хлор-ион	Ион железа
Низкая	От 6,0 до 7,5 включ.	До 5,0 включ.	До 10 включ.
Средняя	От 4,5 до 6,0 включ. От 7,5 до 8,5 включ.	От 5,0 до 50 включ.	От 1,0 до 10 включ.
Высокая	До 4,5 Св. 8,5	Св. 50	Св. 10

Показатели химического состава подземных и поверхностных вод, получаемые при инженерно-геологических изысканиях, и методы их лабораторных определений приведены в табл. 7.12

Таблица 7.12

Показатели химического состава подземных и поверхностных вод и методы их лабораторных определений при инженерно-геологических изысканиях [105]

Показатели химического состава воды		Коррозионная активность воды к оболочкам кабелей		Вид анализа воды		Метод испытания или обозначение ГОСТа
		свинцовым	алюминиевым	стандартный	полный
Температура °С в момент взятия пробы,		+	+	+	+	1030-81
Запах при 20°С		–	–	–	+	3351–74
Запах при 60°С		–	–	–	+
вкус и привкус при 20 °С		–	–	–	+
цветность		–	–	–	+
мутность		–	–	–	+
Показатель рН		+	+	+	+	2874–82
Сухой остаток		–	–	+	+	18164–72
Гидрокарбонаты		–	–	+	+	Унифицированный
Карбонаты		–	–	+	+	То же
Сульфаты		–	–	+	+	4389–72
Хлориды		+	+	+	+	4245–72
Кальций		–	–	+	+	Унифицированный
Натрий		–	–	–	+	То же
Калий		–	–	–	+	То же
Натрий + калий		–	–	расчет	–	–
Жесткость:	общая карбонатная постоянная	+ + +	– – –	То же То же То же	Расчет То же То же	4151–72 – –
Углекислота свободная		–	–	+	+	Унифицированный
Окисляемость перманганатная		гумус по окисляемости	–	+	+	То же
Кремнекислота		–	–	–	+	То же
Соединения азота:	нитраты	+	–	+	+	18826–73
	нитриты	+	+	+	+	4192–82
	аммоний	–	–	+	+	4192–82
Железо:	общее	+	+	–	–	4011–72
	закисное	–	–	+	+	Унифицированный
	окисное	–	–	+	+	То же
Магний		–	–	+	+	То же
Фтор		–	–	–	+	4386–89

Таким образом, при изысканиях с целью установления геоэлектрического разреза и удельного электрического сопротивления грунтов на участках электрических подстанций и на прилегающих к ним территориях должны быть выполнены электроразведочные геофизические исследования для проектирования заземляющих устройств. По трассам металлических трубопроводов различного назначения следует выполнять геофизические (электрометрические) работы для определения блуждающих токов, оценки коррозионной активности грунтов и проектирования защитных сооружений.