Виды коррозии запорной арматуры
Обновлено: 08.07.2024
Виды коррозии запорной арматуры
Corrosion of metals. Terms
Дата введения 1969-01-01
УТВЕРЖДЕН Комитетом стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР 28 июня 1968 г.
Дата введения установлена 01.01.69
Настоящий стандарт устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий в области коррозии металлов.
Термины, установленные настоящим стандартом, обязательны для применения в документации всех видов, учебниках, учебных пособиях, технической и справочной литературе.
Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин. Применение терминов - синонимов стандартизованного термина запрещается. Недопустимые к применению термины-синонимы приведены в стандарте в качестве справочных и обозначены пометой "Ндп".
Основные термины набраны полужирным шрифтом, их краткие формы - светлым, недопустимые - курсивом.
Для отдельных стандартизованных терминов в стандарте приведены в качестве справочных их краткие формы, которые разрешается применять в случаях, исключающих возможность их различного толкования.
В случаях, когда существенные признаки понятия содержатся в буквальном значении термина, определение не приведено и, соответственно, в графе "Определение" поставлен прочерк.
Коррозия запорной арматуры в системах ГВС
В статье рассмотрены причины ускоренной коррозии чугунной и стальной запорной арматуры, установленной в системах горячего водоснабжения в тепловых пунктах. Отмечено влияние качества и температуры воды, особенностей конструкции запорной арматуры и нарушения требований технической документации по эксплуатации на скорость коррозии углеродистой стали, из которой изготовлена запорная арматура. В статье рассматриваются технико-экономические аспекты замены традиционно используемой арматуры на запорную арматуру из коррозионно-стойких материалов. Сделан вывод о необходимости использования запорной арматуры из нержавеющей стали в системах горячего водоснабжения.
Снабжение населения горячей водой является одной из приоритетных задач энергетического комплекса. Приготовление горячей воды осуществляется в центральных (ЦТП) и индивидуальных тепловых пунктах (ИТП). В закрытых системах вода, поступающая из системы холодного водоснабжения, нагревается до требуемой температуры (60–75 °C) в подогревателях. В качестве теплоносителя используется перегретая вода, которая подаётся по теплосети от ТЭЦ по температурному графику системы отопления.
Схема централизованной подготовки и подачи горячей воды потребителям включает водонагреватели, подающий и циркуляционный трубопроводы, а также циркуляционные насосы, расположенные в тепловых пунктах, и арматуру. Запорная арматура является одним из наиболее критичных элементов системы ввиду её распространённости (примерно 80 % от всей установленной арматуры) и необходимости чётко выполнять функции закрытия-открытия.
В качестве запорной арматуры в тепловых пунктах в настоящее время чаще всего используют задвижки, шаровые краны и поворотные затворы (рис. 1). Из них шаровые краны в последние годы стали наиболее часто устанавливаться на современных тепловых пунктах.
Для изготовления запорной арматуры используют следующие материалы: чугун, латунь, бронзу, легированную, оцинкованную или нержавеющую сталь, пластмассы. Применение того или иного материала зависит от области предполагаемого использования арматуры. Для систем горячего водоснабжения, предназначенных для подачи воды питьевого качества, используют чугун, углеродистую сталь, латунь и, в последние годы, пластмассу. Запорную арматуру из нержавеющей стали используют реже из-за её высокой стоимости.
Запорная арматура, как и любое другое техническое устройство, имеет ограниченный срок эксплуатации. Отказы запорной арматуры связаны с эксплуатационными или конструкционными причинами. Иллюстрацией повреждений запорной арматуры являются фотографии, приведённые ниже.
На рис. 2 приведены примеры потери герметичности чугунных задвижек, сопровождающиеся коррозией корпусных деталей в местах расположения сальников и прокладок. Такие нарушения можно отнести к эксплуатационным, так как они могли быть ликвидированы в ходе текущего обслуживания заменой прокладки или набивки сальника.
Другой причиной выхода из строя запорной арматуры, является нарушение правил эксплуатации. На рис. 3 приведён пример, когда был явно нарушен пункт 10.11 [1], в котором указано, что применять запорную арматуру в качестве регулирующей не допускается. В данном случае сужение поперечного сечения потока воды запорным устройством привело к локальному росту скорости движения воды и появлению кавитации, что, в свою очередь, вызвало выделение пузырьков кислорода, растворенного в воде, и внутреннюю коррозию стальной трубы выше по течению.
На рис. 4 приведены примеры коррозии и адгезии продуктов коррозии на поверхности корпусных и подвижных деталей чугунной задвижки, приводящие к нарушению герметичности и к частичному или полному отказу. Образование незначительного по толщине осадка на поверхности чугунных дисков (рис. 4б), является, скорее всего, результатом продолжительной эксплуатации задвижек в открытом состоянии в условиях коррозионной среды. При периодическом закрытии и открытии задвижек осадок с дисков удаляется за счёт механического трения. Операции по закрытию и открытию запорной арматуры предусмотрены регламентом на техническое обслуживание [2].
На рис. 5 приведены фотографии стальных шаровых кранов, имеющих сквозные отверстия в корпусе.
Как видно из рис. 5а, для шаровых кранов коррозия в виде свищей локализуется в корпусе в месте сварки при переходе цилиндрической части в коническую или же ближе к центру корпуса. Это связано с особенностями конструкции шаровых кранов: между корпусом и шаром имеется свободное пространство, которое заполнено неподвижной водой, когда кран находится в открытом состоянии. Из всей показанной на рис. 1 арматуры наличие застойных зон характерно только для шаровых кранов, что делает их наиболее уязвимыми для коррозии.
Рассмотрим, что происходит при коррозии различных частей корпуса шарового крана, когда он находится в открытом положении. Как видно из фотографии (рис. 5б), вся внутренняя поверхность цилиндрической части крана равномерно покрыта бугристыми отложениями. При этом часть железа образует бугорки, а другая часть в виде ионов поступает дальше с водой в сеть. Одновременно с этим в замкнутом пространстве между корпусом и шаром происходит непрерывное накопление оксидов железа. В отсутствии поступления кислорода с водой рыхлый осадок гидроксида железа (первичный продукт кислородной коррозии) трансформируется на поверхности корпуса в твёрдые оксиды железа. Осадок заполняет весь объём и заклинивает шаровую пробку. На рис. 6 приведена фотография фрагмента отложений, извлечённых из внутреннего пространства (между шаром и корпусом) стального шарового крана с условным проходом 150 мм.
Таким образом, можно сделать вывод, что механизм коррозии, даже в пределах одного шарового крана, значительно отличается. Отличие состоит в том, что в цилиндрической части электрохимическая коррозия идёт с кислородной деполяризацией, а в корпусе под шаром коррозия протекает с водородной деполяризацией, которая сопровождается локальным образованием и участием процессе коррозии кислот, соответствующих анионному составу воды, и заканчивается образованием сквозных свищей.
Приведённые выше примеры показывают на несоответствие выбранного материала запорной арматуры коррозионным свойствам рабочей среды. При выполнении проекта выбор типа и материала запорной арматуры делает проектная организация. Не имея объективных сведений, подтверждающих стойкость запорной арматуры для конкретной среды, специалисты обращаются к паспортным данным на запорную арматуру. Вполне вероятно, что на выбор стальных шаровых кранов для систем ГВС повлияли два фактора: во-первых, известные недостатки чугунных задвижек, традиционно используемых для систем водоснабжения, и, во-вторых, некорректные формулировки области применения, которые приведены в паспортах на шаровые краны. При этом стоимость арматуры играет не последнюю роль.
Рассмотрим несколько примеров технических характеристик шаровых кранов, приводимых различными производителями в паспортах на шаровые краны, изготовленных из углеродистой стали.
Так, например, в паспорте на шаровые краны фирмы Broen область применения сформулирована следующим образом: шаровые краны предназначены для применения в системах теплоснабжения, водоснабжения, газораспределения и промышленности при температуре до 150 °C.
Следует отметить, что для большинства шаровых кранов, как российских, так и зарубежных, область применения определена более точно. Из паспорта российской фирмы также следует, что шаровые краны предназначены для воды наружных и внутренних тепловых сетей при температуре носителя до 200 °C, в том числе для воды в контуре тепловых сетей, а также для жидких и газообразных сред, по отношению к которым материалы крана коррозионно-стойкие. Наиболее корректно область применения, на наш взгляд, определена в паспорте шарового крана фирмы Vexve OY. Шаровые краны предназначены для перекрытия потока жидкой среды, неагрессивной в отношении конструкционных материалов крана. Аналогичные формулировки имеют шаровые краны фирм Bival, Danfoss, Navаl. Срок эксплуатации стальных шаровых кранов оценивают в 25 лет при условии соблюдения указанных выше требований по воздействию среды.
Стойкость запорной арматуры к коррозии определяется, прежде всего, химическим составом металлов, из которых изготовлены основные элементы. Это стали марок 09Г2С, Ст20, Ст25, Ст3, St37.0 (1.0254), P235GH (1.0345), которые не могут быть отнесены к коррозионностойким ввиду низкого содержания хрома и никеля.
Основной причиной, вызывающей коррозию запорной арматуры, является высокая коррозионная активность воды, которую можно оценить через скорость коррозии. Для запорной арматуры в проекте ГОСТа на шаровые краны для систем отопления [3], предлагается оценивать коррозионную активность среды по скорости коррозии стальных индикаторов, выполненных из стали, из которой приготовлена запорная арматура (табл. 1).
Для того, чтобы воспользоваться этими данными, необходимо знать фактические скорости коррозии тех металлов, из которых изготовлена та или иная запорная арматура. К сожалению, такая информация в паспортных данных отсутствует.
В работе [4] представлены результаты обследования образцов труб, извлечённых из системы холодного водоснабжения города Москвы. Трубы находились в эксплуатации в течение 30–40 лет. В статье приведены данные, показывающие, что вода московского городского водопровода по отношению к стали Ст3 и Ст20, из которых изготовлены магистральные трубопроводы, является слабокоррозионной. При этом скорость коррозии для обследованных образцов труб составляет 0,014–0,065 мм/год. В соответствии с табл. 1 можно считать такую скорость коррозии допустимой для изготовления арматуры. Но эти данные относятся к холодной воде.
Известно, что скорость коррозии стальных труб, как оцинкованных, так и неоцинкованных, растёт с увеличением температуры и имеет максимум при температуре 60–70 °C [5]. Кроме того, содержание кислорода и углекислого газа в горячей воде остаётся таким же, каким оно было в холодной воде на момент её поступления в подогреватель, то есть вода является пересыщенной этими газами по отношению к их растворимости в горячей воде (при атмосферном давлении). Таким образом, совокупность двух перечисленных выше факторов (коррозионных свойств воды и повышенной температуры) приводит к увеличению скорости коррозии запорной арматуры, изготовленной из чугуна и углеродистой стали, что и наблюдается на практике.
Уменьшить воздействие коррозионных свойств воды на оборудование систем ГВС можно используя предварительную подготовку воды. В соответствии с пунктом 5.5 [6] московская водопроводная вода перед подачей её в сеть горячего водоснабжения потребует применения вакуумной деаэрации. Однако в том же пункте 5.5 [6] указывается, что при исходной воде с положительным индексом насыщения, карбонатной жёсткостью не более 4 мг-экв/л, суммарным содержанием хлоридов и сульфатов не более 50 мг/л, содержанием железа не более 0,3 мг/л, обработку воды в тепловых пунктах предусматривать не требуется. При этом не учитывается, что практически половину года вода имеет отрицательный индекс стабильности и пересыщена кислородом и углекислым газом.
Проведённые в работе [4] исследования показали, что качество воды играет основную роль в появлении сплошной коррозии стальных трубопроводов, но не в развитии язвенной коррозии, сопровождающейся образованием свищей. Основная причина появления свищей кроется в нарушении сплошности твёрдой оболочки коррозионных отложений, вызванных внешними или внутренними воздействиями: растрескиванием при высыхании во время опорожнения трубопровода, теплового расширения труб, расклинивающим давлением внутри растущего нароста, вибрацией и т.д.
Помимо свойств воды и температуры на ускоренную коррозию корпуса шарового крана может влиять осадок, образующийся в процессе коррозии непосредственно системы водоснабжения. Частицы осадка из труб, подверженных коррозии, адсорбируются на запирающих элементах, как это показано на рис. 4, или же частицы осадка проникают в шаровых кранах в область, где отсутствует движение воды. Осадок адсорбируется на внутренней поверхности шарового крана в области расположения шаровой пробки, что вызывает подшламовую коррозию.
Данные из технической литературы и исследования авторов показывают, что чугунная и стальная запорная арматура без покрытия не обладает достаточной антикоррозионной стойкостью, и её использование в системах ГВС должно быть ограничено. Следует отметить, что в действующих российских нормативных документах отсутствуют нормы по сроку службы запорной арматуры до списания. В настоящее время проходит обсуждение проект межгосударственного стандарта «Арматура трубопроводная.
Краны шаровые стальные цельносварные для водяных тепловых сетей» [3], в котором сформулирован ряд технических характеристик, которым должна соответствовать запорная арматура для систем отопления и горячего водоснабжения. В соответствии с этим документом средний срок службы запорной арматуры до списания должен составлять не менее 30 лет; средний ресурс до списания — не менее 10 тыс. циклов и средняя наработка до отказа — не менее 5000 циклов.
Для сравнения ниже приведены требования, которые предъявляются к оборудованию и запорной арматуре в системах водоснабжения в странах Евросоюза. В соответствии с европейскими нормами [7] планируемый срок эксплуатации системы водоснабжения следует рассчитывать как минимум в 50 лет. Это требование не относится к компонентам системы, использование которых ограничено по времени. Для некоторых компонентов системы, таких как насосы, измерительные и регулирующие устройства, может потребоваться заблаговременный ремонт или замена. Все материалы при контакте с водой не должны служить причиной недопустимого ухудшения качества воды.
Что касается запорной арматуры, то, например, в Австрии законодательно ограничено использование чугунной и нелегированной стальной арматуры в системах горячего водоснабжения.
Увеличение срока службы запорной арматуры в системе горячего водоснабжения может быть достигнуто при использовании современных материалов, стойких к коррозии, или применении защитных покрытий. В качестве альтернативы применению чугунных задвижек и стальных шаровых кранов в последнее время рассматривают использование запорной арматуры из композитных материалов, оцинкованной стали или чугунных задвижек с эпоксидным покрытием. Однако публикации по опыту эксплуатации указанной арматуры в системах горячего водоснабжения отсутствуют.
Наибольшей стойкостью к коррозии обладает запорная арматура из нержавеющей стали, которую широко применяют в пищевой, химической и нефтеперерабатывающей промышленностях. Способность выдерживать высокие температуры и прочность обеспечивают максимально эффективное применение арматуры из нержавеющей стали в самых неблагоприятных условиях эксплуатации. К сдерживающим факторам широкого использования относится высокая стоимость арматуры.
В разделе 5 «Водоподготовка» [6] изложены требования по защите системы ГВС от коррозии. «Защиту трубопроводов горячего водоснабжения от внутренней коррозии следует осуществлять путём использования труб с защитными покрытиями, преимущественно эмалированными, которые обеспечивают самую высокую эффективность». Высокой коррозионной стойкостью также обладают чугунные задвижки, имеющие внутреннее эмалированное покрытие.
Переход на нержавеющую арматуру требует больших финансовых вложений, так как стоимость шаровых кранов из нержавеющей стали в четыре-пять раз превышает стоимость запорной арматуры из углеродистой стали. Потенциальным источником финансирования перехода на использование нержавеющих шаровых кранов может явиться сокращение сроков профилактического отключения системы ГВС в летний период за счёт уменьшения работ по ремонту и замене запорной арматуры. При проведении плановых профилактических работ потребитель вместо горячей воды получает холодную, то есть снабжающая организация терпит убытки в этот период. Очевидно, что снижение продолжительности профилактического отключения горячей воды напрямую зависит от надёжности запорной арматуры.
Рассмотрим вариант замены шаровых кранов из углеродистой стали на коррозионно-стойкую арматуру с позиций потерянной выгоды для самой снабжающей организации от недопоставки потребителям горячей воды. Расчёт, произведённый для города Москвы, показывает, что при суммарном суточном водопотреблении около 3,5 млн м³, расход горячей воды составляет около 40 % от общего водопотребления или 1,4 млн м³/сут. Стоимость 1 м³ горячей воды для потребителя в ценах 2017 года составляет 180 руб., а холодной — 35 руб. Финансовые потери за недопоставленную горячую воду составят 145 руб/м³, а в масштабах Москвы — 203 млн руб. в сутки. Итак, снижение срока профилактического обслуживания на одни сутки даст экономический эффект в 203 млн руб., что позволит ежегодно заменять чугунную и стальную запорную арматуру на арматуру из нержавеющей стали на десятках тепловых пунктах.
Выводы
1. Приведённые в статье данные показывают, что шаровые краны, изготовленные из углеродистой стали, не предназначены для работы в системах ГВС из-за ускоренной коррозии материала корпуса.
2. Сделан вывод, что переход на коррозионно-стойкую арматуру, изготовленную из нержавеющей стали или эмалированного чугуна, приведёт к сокращению сроков профилактического обслуживания систем отопления и горячего водоснабжения и будет способствовать улучшению качества горячей воды.
Самарский ИТЦ; Борисенкова Е. А.. Коррозия запорной арматуры на промысловых трубопроводах
Ранее публиковались [1] примеры преждевременного выхода из строя запорной арматуры вследствие литейного дефекта. Но это далеко не единственная причина образования сквозных язв камер клиновых задвижек. Ниже в статье приведен пример образования сквозного дефекта вследствие высокой агрессивности среды.
Большинство промысловых сред РФ можно классифицировать на пять типов по превалирующему механизму коррозии [2]:
– Сульфидное (H2S) коррозионное растрескивание под напряжением (СКРН).
– Локальная карбонатная коррозия (СО2).
– Локальная карбонатная коррозия в присутствии сульфидов (СО2+H2S).
– Карбонатная коррозия в присутствии хлоридов (СО2+Cl–).
– Биокоррозия (биоценоз).
Объекты исследования находили в контакте со средой, инициирующей локальную карбонатную коррозию.
Объекты исследования и визуальный осмотр
На экспертизу в ООО «Самарский ИТЦ» была доставлена клиновая задвижка с целью выявления причин преждевременного выхода из строя. Химический состав материала задвижки соответствует марке стали 20ГЛ по ГОСТ 977‑88 «Отливки стальные. Общие технические условия».
На рис. 1‑2 представлены фрагменты, вырезанные из нижней образующей корпуса задвижки, а также с фланцевой части корпуса.. На нижней образующей корпуса задвижки расположен сквозной дефект Ø50 мм. Внутри дефекта присутствует небольшое количество отложений серо-бурого цвета. Фрагмент фланцевой части задвижки на внутренней поверхности имеет сложный глубокий рельеф, отображающий следы коррозионного воздействия транспортируемой среды.
Отложения в данной области имеют бурый и темно-бордовый цвет, что является одним из признаков наличия карбонатов железа.
Лабораторные микробиологические исследования
С внутренней поверхности обоих фрагментов были отобраны микробиологические соскобы, которые затем были посеяны на элективные питательные среды для качественного и количественного учета коррозионно-опасных микроорганизмов нефтяного биоценоза:
• сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ),
• тионовых (сероокисляющих) бактерий (ТБ),
• углеводородокисляющих бактерий (УОБ),
• железоокисляющих бактерии (ЖБ).
В течение 28‑дневного культивирования проб периодически проводился отбор культуральной жидкости для идентификации выделенных микроорганизмов.
Результаты исследований представлены в таблице 1.
Таким образом, на внутренней поверхности исследуемых образцов обнаружен нефтяной биоценоз коррозионно-опасных бактерий, состоящий из 2‑х групп бактерий (сульфатвосстанавливающих бактерий СВБ и железоокисляющих – бактерий ЖБ). Деятельность такого биоценоза может быть причиной ускоренного электрохимического образования сквозных язв (анаэробная катодная деполяризация сульфидом железа) в течение короткого времени с начала эксплуатации (40‑180 дней) или с момента появления биоценоза на поверхности (адгезии), или момента формирования условий для деятельности данного биоценоза. Все бактерии обнаружены в большом количестве – 103 клетки/ г, но с пониженными индексами активности – 20 % (появление признаков роста на пятый день инкубирования). Понижение индексов активности до 20 % в данном случае может быть следствием пропаривания образцов в процессе очистки: бактерии сохранились в отложениях в глубине язвы, но были ослаблены обезвоживанием.
Согласно публикации [3], механизм коррозии при активности ЖБ и СВБ следующий: локальное осаждение объемных продуктов жизнедеятельности ЖБ в виде ржавчины Fe (OH)3 приводит к образованию нароста. Поверхность металла, находящаяся под наростом, не омывается транспортируемой по трубам средой и поэтому аэрируется слабее, чем зона трубы, свободная от нароста. Таким образом, благодаря росту железобактерий на поверхности внутренней стенки трубы создаются дифференцированно аэрированные ячейки, в которых вентилируемые участки имеют более высокий потенциал и функционируют как катод; менее аэрируемые участки под наростом действуют как анод. В анодной зоне идет процесс растворения железа из металла.
Таким образом, возможны следующие пути участия ЖБ в коррозионном процессе:
– первичное образование дифференцированно аэрированных ячеек, далее такие ячейки могут развиваться при участии бактерий или без них;
– механическое укрепление нароста благодаря волокнистой структуре оболочек бактерий;
– каталитическое окисление ионов Fe2+ и, следовательно, быстрое осаждение гидроокиси железа, которая усиливает анаэробные условия на анодном участке и, таким образом, разность потенциалов между поверхностью железа под наростом и вне его, при этом скорость коррозии значительно повышается. Постепенно все большая поверхность металла покрывается осадком ржавчины. Создание анаэробных условий во внутренних, прилегающих к поверхности металла слоях нароста является предпосылкой для развития СВБ, уже прикрепившихся к поверхности трубы под наростом на местах шероховатости или каких‑либо дефектов металла. Таким образом, начавшаяся аэробная коррозия внутри нароста изменяет постепенно свой характер, превращаясь в анаэробную коррозию СВБ, которая представляет собой не что иное, как катодную деполяризацию, при которой железо подвергается коррозионному разрушению.
Лабораторные исследования сечения продуктов коррозии
Для исследования методами электронной микроскопии были изготовлены металлографические шлифы в сечении продуктов коррозии (рис. 3‑6).
На рис. 3 представлено сечение крупной язвы (
1,5 мм глубиной 4 мм в диаметре) слой продуктов коррозии (
50 мкм) сохранился на дне язвы. В нем присутствуют горизонтальные и вертикальные трещины, что говорит о его хрупкости.
Локальный энергодисперсионный химический анализ, проведенный в характерной области, выявил присутствие карбонатов и оксидов железа.
Из фрагмента № 2 также был изготовлен продольный шлиф в сечении продуктов коррозии (рис. 5). В полости представленной язвы сохранился толстый (
400 мкм) неоднородный слой продуктов коррозии с множеством трещин. По данным локального энергодисперсионного анализа, проведенного в характерных областях, слой состоит в основном из карбонатов и оксидов железа, в верхних областях присутствуют соединения кальция осадочного происхождения.
Фазовый анализ соскобов продуктов коррозии, выполненный на аппарате Дрон-3, подтвердил результаты локального энергодисперсионного химического анализа, выявив присутствие карбонатов железа.
Выводы и обсуждения
Анализ полученных результатов говорит о том, что разрушение объекта вызвано активными коррозионными процессами вследствие контакта металла с агрессивной средой. Характер коррозии электрохимический (с водородной деполяризацией), усложненный воздействием биоценоза. Помимо карбонатов железа, образовавшихся в среде с повышенным содержанием СО2, в продуктах коррозии много марганца, который сохранился от основного металла. Марганец негативно влияет на процессы карбонатной коррозии, т. к. на входе появляются разнофазные продукты коррозии, образующие рыхлый деструктивный слой, которые не только не препятствует коррозии, а создает все условия (трещины и поры) для проникновения коррозионноактивной среды к поверхности металла.
Таким образом, коррозионное разрушение исследуемого объекта было вызвано совокупностью внутренних и внешних факторов. К внешним факторам относятся состав среды, содержащий СО2 и бактерии нефтяного биоценоза, а к внутренним относится химический состав стали, не предназначенной к эксплуатации в агрессивных условиях.
Литература:
1. Борисенкова Е. А. Причины преждевременного выхода из строя клиновых задвижек на нефтяных месторождениях Российской Федерации // Вестник арматурщика № 7 (27). – 2015. – С. 46‑48.
2. Борисенкова Е. А., Веревкин А. Г., Борисенкова Т. А. Современный подход к выбору материалов для изготовления нефтегазопроводных труб в зависимости от превалирующего механизма коррозии // Черная металлургия № 12 (1380). – 2014 – С. 47‑51.
3. Борисенкова Е. А., Сачкова Е. Н., Иоффе А. В. О механизме микробиологической коррозии сталей нефтепромыслового оборудования в условиях экс-плуатации и в лаборатории// Вестник СамГТУ № 3 (39). – 2013 – С. 99‑104
Тексты лекций по дисциплине «Диагностика и испытание строительных конструкций» Для студентов направления «Строительство»
Железобетонные конструкции постоянно подвергаются воздействию внешней среды, в результате которого возникает коррозия материала. По характеру воздействий различают химическую, электрохимическую и механическую коррозию. Следует отметить, что граница между химической и электрохимической коррозией часто бывает условной и зависит от многих параметров окружающей среды.
При химической коррозии происходит непосредственное химическое взаимодействие между материалами конструкции и агрессивной средой, не сопровождающееся возникновением электрического тока. Химическая коррозия может быть газовой и жидкой, однако в обоих случаях отсутствуют электролиты.
При электрохимической коррозии коррозионные процессы протекают в водных растворах электролитов, во влажных газах, в расплавленных солях и щелочах. Характерным является возникновение электрических токов как результата коррозионного процесса, при этом в арматуре и закладных деталях одновременно протекают окислительный и восстановительный процессы.
Механическая коррозия (деструкция) имеет место в материалах неорганического происхождения (цементный камень, растворная составляющая бетона, заполнитель) и вызывается напряжениями внутри материала, достигающими предела его прочности на растяжение. Внутренние напряжения в пористой структуре материала возникают вследствие разных причин, среди которых кристаллизация солей, отложение продуктов коррозии, давление льда при замерзании воды в порах и капиллярах. В композиционных материалах, характерным представителем которых является бетон, внутренние напряжения в зоне контакта заполнитель – цементный камень возникает при резких сменах температур в результате разных коэффициентов линейно-температурного расширения.
Из-за ограниченного объёма учебного пособия вопросы коррозии бетона и арматуры в железобетонных конструкциях рассматривается в тезисной форме. Для более углублённого изучения данного вопроса следует использовать специальную литературу [10].
2.2.1. Коррозия бетона.
Бетон, как искусственный конгломерат, по составу исходных материалов достаточно долговечен и не нуждается в специальном уходе, если эксплуатируется в нормальных температурно-влажностных условиях и отсутствии агрессивной среды. В таких условиях работает относительно небольшой класс конструкций, расположенных внутри жилых и общественных зданий или же в сооружениях, эксплуатируемых в тёплых и сухих климатических районах. Для большинства же конструкций промышленных предприятий свойственны агрессивная и слабоагрессивная среды, характеристика которых по степени их воздействия на бетон представлена на рис.4.
Под влиянием агрессии в бетоне развиваются физико-химические и физико-механические деструктивные процессы, представленные на рис. 5.
Различаются три вида физико-химической коррозии.
Коррозия I вида. Внешним ее признаком является налёт на поверхности бетона в месте испарения или фильтрации свободной воды. Коррозия вызывается фильтрацией мягкой воды сквозь толщину бетона и вымыванием из него гидрата окиси кальция: Ca(OH)2 (гашёная известь) и CaO (негашёная известь). В связи с этим происходит разрушение и других компонентов цементного камня: гидросиликатов, гидроалюминатов, гидроферритов, так как их стабильное существование возможно лишь в растворах Ca(OH)2 определённой концентрации. Описанный процесс называется выщелачиванием цементного камня. По результатам исследований [2] выщелачивание из бетона 16% извести приводит к снижению его прочности примерно на 20%, при 30%-ном выщелачивании прочность снижается уже на 50%. Полное исчерпание прочности бетона наступает при 40-50%-ной потере извести.
Следует учитывать, что если приток мягкой воды незначительный и она испаряется на поверхности бетона, то гидрат окиси кальция не вымывается, а остаётся в бетоне, уплотняет его, тем самым прекращая его дальнейшую фильтрацию. Этот процесс называется самозалечиванием бетона.
Коррозии I вида особо подвержены бетоны на портландцементе. Стойкими оказываются бетоны на пуццолановом портландцементе и шлакопортландцементе с гидравлическими добавкими.
Коррозии II вида. Характерным для коррозии II вида является химическое разрушение компонентов бетона (цементного камня и заполнителей) под воздействием кислот и щелочей.
Кислотная коррозия цементного камня обусловлена химическим взаимодействием гидрата окиси кальция с кислотами:
в результате чего Ca(OH)2 разрушается.
При фильтрации кислотных растворов через толщу бетона продукты разрушения вымываются, его структура делается пористой, и конструкция утрачивает несущую способность. Таким образом, скорость коррозии возрастает с увеличением концентрации кислоты и скорости фильтрации.
Влияния углекислоты на бетон неоднозначно. При малой концентрации СO2 углекислота, взаимодействую с известью, карбонизует её, т.е.
Образующийся в результате химической реакции карбонат кальция CaСO3 является малорастворимым, поэтому концентрации его на поверхности предохраняет бетон от разрушения в зоне контакты с водной средой, увеличивает его физическую долговечность.
При высокой концентрации СO2 углекислота реагирует с карбонатом, превращая его в легкорастворимый бикарбонат Ca(HСO3)2 , который при фильтрации агрессивной воды вымывается из бетона, существенно снижая его прочность.
Таким образом, скорость разрушения бетона, с одной стороны, зависит от толщины карбонизированного слоя, а с другой – от притока раствора углекислоты.
В реальных конструкциях процесс коррозии бетона оценивается по результатам анализа продуктов фильтрации: если в фильтрате обнаруживается бикарбонат Ca(HСO3)2, то это свидетельствует о развитии коррозии. Безопасным для бетона считается раствор углекислоты с содержанием СO2 10 резко снижается из-за образования нерастворимых гидратов закиси железа. Растворы едких щелочей и карбонаты щелочных металлов практически не разрушают арматуру, если их концентрация не превышает 40%.
Солевая коррозия арматуры зависит от природы анионов и катионов, содержащихся в водных растворах солей.
В присутствии сульфатов, хлоридов и нитратов щелочных металлов, хорошо растворимых в воде, солевая коррозия усиливается. И, наоборот, присутствие карбонатов и фосфатов, образующих нерастворимые продукты коррозии на анодных участках, способствует затуханию коррозии. На интенсивность солевой коррозии арматуры влияет кислород, который окисляет ионы двухвалентного железа и понижает перенапряжение водорода на катодных участках. С повышением концентрации кислорода скорость коррозии увеличивается.
Рассматривая воздействие газов, следует особо отметить агрессивность окислов азота NO, NO2, N2O и хлора Cl, которые в присутствии влаги вызывают сильную коррозию арматуры.
Практика обследования железобетонных конструкций, соприкасающихся с грунтом, указывает на частные случаи разрушения арматуры блуждающими токами, которые появляются из-за утечек электроэнергии с рельсов электрифицированных железных дорог, работающих на постоянном токе, или других источников. В месте входа тока в конструкцию образуется катодная зона, а в месте выхода – анодная, или зона коррозии. Опыты показывают, что блуждающие токи распространяются на десятки километров в стороны от источника, практически не утрачивая силы тока, которая может достигать сотни ампер. Расчёты с использованием закона Фарадея показывают, что ток силою всего в 1-2А, стекая с конструкции, в течение года может уносить до 10кг железа. Обычно скорость разрушения арматуры блуждающими токами заметно превышает скорость разрушения от химической коррозии. Опасной для конструкции считается плотность тока При анализе агрессивных воздействий на железобетонные конструкции учитываются факторы, сопутствующие коррозии арматуры (рис.7), и, кроме того, разрабатываются соответствующие защитные мероприятия.
Требования к армированию конструкций,
работающих в агрессивной среде.
В соответствии с рекомендациями [4] не допускается использование в предварительно-напряжённых конструкциях, эксплуатируемых в сильноагрессивных газообразных и жидких средах, стержневой арматуры класса A-V и термически упрочнённой арматуры всех классов. Нельзя также применять проволочную арматуру класс B-II, Bp-II и стержневую классов A-V, Aт-IV в конструкциях из бетона на пористых заполнителях, эксплуатируемых в агрессивной среде, если не предусмотрены специальные защитные покрытия.
Оцинкованная арматура рекомендуется к применению только в тех случаях, когда невозможно обеспечить требуемую плотность бетона и толщину защитного слоя.
Восстановление эксплуатационных качеств
конструкции с корродированной арматурой
Образование продуктов химической коррозии на арматуре увеличивает её объём, вследствие чего бетон защитного слоя механически разрушается. Это выражается в появлении волосных трещин по направлению арматурного стержня. Со временем трещины раскрываются, бетон защитного слоя отслаивается, и корродированная арматура оголяется. Для восстановления эксплуатационных качеств необходимо с помощью металлической щётки или пескоструйного аппарата очистить арматуру от ржавчины и оценить степень её коррозии. Если коррозией повреждено более 50% площади сечения арматурного стержня, то повреждённый участок вырезается и производится его замена на новый, равноценный по площади стержень, привариваемый электродуговой сваркой. При площади менее 50% повреждённый участок не вырезается, а на него наваривается дополнительный стержень усиления, компенсируемый разрушенное сечение.
На все оголённые участки арматуры наносится защитное покрытие из эпоксидной смолы, обладающей хорошей адгезией к бетону и стали.
Хорошей защитой арматуры также является послойное нанесение торкретбетона толщиной слоёв 1-1,5см, приготовленного на смеси цемент: песок=1:2 (1:3) и наносимого на обрабатываемую поверхность с расстояния 1-1,2 м.
Характеристики бетонного покрытия (плотность бетона, толщина защитного слоя), независимо от способа нанесения покрытия, должны соответствовать показателям и требованиям, представленным в таблицах 3 и 4.
Воздействие коррозии металла на детали трубопровода
Коррозия металлов — это самопроизвольное нежелательное разрушение сплавов вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Негативные последствия может выражаться различными дефектами, например: трещины, утолщение стенок, изменение химического состава сплава, возникновение каверн (полостей), точечное образование ям и язв (питтинговая коррозия) и др. Коррозия может привести к возникновению аварийных ситуаций, например, способствовать разгерметизации трубопровода. Какие существуют виды коррозии? Как защитить трубопровод от разрушения?
Классификация коррозионных процессов:
Общая (сплошная). Охватывает всю поверхность металла.
Локальная (местная). Охватывает отдельные участки металла и являются более опасными.
Снижается работоспособность конструкции. Существует широкое разнообразие коррозионных процессов. Важно отметить, что каждая из разновидностей имеет свои особенности протекания процесса. Происходящее окисление металла напрямую воздействуют на используемую конструкцию. Скорость коррозии зависит от концентрации реагентов и может возникать по химическому и электрохимическому механизму. Наиболее распространенный механизм коррозии - электрохимический. Коррозионной средой может служить как жидкость, так и газ.
Какая коррозия может возникнуть в газовых средах:
образование окисной пленке на металле в сухом воздухе
коррозия металла в газовых средах при высоких температурах (выше 200 °С), включая среды, содержащие водяной газ
образование окалины на трубчатых электронагревателях (ТЭНы)
Какая коррозия встречается в жидких средах:
коррозия металлов в неэлектролитах
коррозия внутренней поверхности нефтепроводов при контакте с нефтепродуктами
коррозия стали под действием жидкого брома
коррозия элементов теплообменников при контакте с жидкометаллическими теплоносителями
Иногда, атмосферную коррозию выделяют в отдельный вид. Атмосферная коррозия металлоконструкций и трубопроводов возникает во влажном климате и влажных грунтах. Например, такая ситуация может возникнуть при подземной, полуподземной или наземной (в насыпи) схемах прокладки трубопровода. Болотистые, вечномерзлые и скальные грунты, районы горных выработок, оползней и прочих неустойчивых грунтах. Однако, при установке трубопроводов на опорах (надземный способ) вырастает значительная подверженность трубопровода суточным и сезонным колебаниям температуры.
Виды атмосферной коррозии:
подземная или почвенная коррозия на влажных грунтах. Дополнительная агрессивность почвы зависит от ее пористости и кислотности.
при взаимодействии с природными водными средами. Они содержат растворенные соли, продукты жизнедеятельности живых организмов, растворенные газы и т.д.
коррозия по ватерлинии - линия соприкосновения поверхности с водой. В такой ситуации на конструкцию действует водная коррозия и высокая концентрация атмосферного кислорода
Дополнительными факторами, влияющими на возникновение коррозии может быть механическое воздействие, не рациональное конструирование, наличие внешней поляризации - такой вид разрушения принято называть контактной коррозией. Вид коррозионного поражения, главным образом, зависит от свойств сплава и особенностей коррозионной среды.
Меры защиты металла от коррозии
Коррозия наблюдается во всех областях народного хозяйства и имеет множество разновидностей. Коррозия - сложное явление, которое протекает за счет множества сопряженных процессов и возникает из-за особенностей сплава и условий его эксплуатации. Компания «ОНИКС» предлагает произвести оцинкование деталей трубопровода, чтобы защитить конструкцию от вредоносного воздействия.
Помимо выбора коррозионностойких сплавов, вы можете нанести защитное покрытие. В «ОНИКС» вы можете заказать два вида защитных покрытий: гальваническим или термодиффузионным методом воздействия на металл.
Читайте также: