Коррозия

1.1. ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших факторов обеспечения  бесперебойной работы подземных  металлических сооружений связи  является своевременная и правильная защита их от коррозии в процессе проектирования, строительства и эксплуатации.    В настоящей дипломной работе приведены основные виды коррозии и  рекомендации по защите от коррозии   кабельных сетей связи.  Разрушение, вызываемое физическим или электрохимическим воздействием внешней среды, называют коррозией металлической оболочки и брони кабелей. В зависимости от характера этого воздействия различают почвенную (электрохимическую), межкристаллитную коррозию и электрокоррозию блуждающими токами. 
         Почвенная (электрохимическая) коррозия металлических покровов (оболочки и брони) кабелей происходит в результате воздействия на них органических и неорганических кислот, щелочей и солей, находящихся в почве. 
Присутствующие в почве кислоты, щелочи и соли, растворенные в почвенной влаге, являются электролитом. При соприкосновении электролита с металлом (оболочкой или броней кабеля) на его поверхности образуется множество микроскопических гальванических элементов. Электродами в этих элементах являются зерна металла, разнородные по структуре, или металл и находящиеся в нем примеси. Токи, протекающие в этих гальванических элементах, и вызывают коррозию металла, аналогичную коррозии цинка в обычном гальваническом элементе. Такие гальванические элементы могут образоваться в результате контакта в электрической среде двух разнородных металлов, например алюминиевой оболочки и брони кабеля. 
Причиной почвенной коррозии может явиться неоднородный состав почвы вдоль оболочки кабеля или различная по длине кабеля концентрация агрессивных веществ. В этом случае вдоль оболочки кабеля также создается некоторая разность потенциалов, вызывающая ток в оболочке и ее разрушение в месте выхода тока в почву. 
Для свинцовой оболочки кабелей наиболее опасным является присутствие в почве уксусной кислоты, извести, нитратов (азотнокислых солей) и перегноя от органических веществ. Грунт с большим содержанием известняка (мергельный), а также насыпные грунты с содержанием в них каменноугольной смолы и доменных шлаков, представляющих собой сильные щелочи, также повреждают свинцовую оболочку кабелей. Для стальной брони кабелей наиболее опасными являются хлористые, серные и сернокислые соединения, находящиеся в почве. Для алюминиевой оболочки кабелей коррозионно опасной считается влажная почва любого состава. 
Электрическая коррозия металлических покровов кабеля, возникающая под действием токов, блуждающих в земле, по сравнению с почвенной является более опасным видом коррозии.  
Электровозы и электросекции на ряде дорог питаются постоянным током, подаваемым от тяговых подстанций по контактной сети. Обратным проводом, по которому ток возвращается на тяговую подстанцию, являются рельсы. Вследствие того что рельсы представляют для тока сопротивление, большая часть возвращающегося на подстанцию тока ответвляется в землю и протекает по земле. Этот ток и называют блуждающим. 
В случае если параллельно рельсам проложен подземный кабель, блуждающий ток будет стремиться пройти по металлической оболочке и броне кабеля. У места нахождения электровоза ток будет входить в оболочку и броню кабеля, а в районе тяговой подстанции — выходить из них. Те участки кабеля, на которых токи, блуждающие в земле, входят в оболочку и броню кабеля, называют катодными зонами, так как оболочка и броня кабеля на этих участках имеют отрицательный потенциал по отношению к окружающей среде. Участки кабеля, на которых блуждающие токи выходят из оболочки и брони кабеля в землю, называют анодными зонами, так как на этих участках оболочка и броня имеют положительный потенциал по отношению к земле. В месте выхода тока из оболочки и брони, т. е. в анодной зоне, будет происходить электролиз металла оболочки и стальной брони, вызывающий их коррозию. Постоянный ток 1 А, выходящий из оболочки и брони кабеля в землю, в течение года может разрушить около 35 кг свинца, 9 кг стали или 3 кг алюминия. Блуждающие токи, протекающие по оболочке кабеля, в особо неблагоприятных случаях могут достигать десятков ампер. 
Кабель со свинцовой оболочкой, проложенный в земле, считается защищенным от коррозии в том случае, если во всех точках потенциал оболочки кабеля по отношению к земле отрицательный. Коррозия алюминиевых оболочек кабелей, вызываемая постоянным блуждающим током, может происходить на анодных и на катодных участках. 
Блуждающие токи на участках дорог, электрифицированных по системе однофазного переменного тока, также протекают по оболочке и броне проложенных вблизи кабелей. Однако эти токи имеют переменный по знаку потенциал (по отношению к земле), изменяющийся с периодичностью 100 раз в секунду, и вследствие этого практически не оказывают коррозионного воздействия на свинцовую оболочку и стальную броню кабелей. 
Алюминиевые оболочки кабелей могут корродировать под воздействием блуждающих переменных токов. Поэтому в конструкции кабелей с алюминиевой оболочкой предусмотрена ее защита в виде пластмассового шланга или нескольких слоев поливиннлхлоридной ленты. Эти покрытия надежно защищают алюминиевую оболочку от почвенной коррозии и коррозии блуждающим постоянным или переменным током. Эффективность покрытия имеет место только в том случае, если в стыках строительных длин проложенного кабеля его концы и соединительная или разветвительная муфта надежно изолированы от земли. 
Межкристаллитная коррозия свинцовых оболочек кабеля возникает вследствие его длительной вибрации, вызываемой движущимся транспортом, если кабель проложен на железнодорожных или автодорожных мостах или вблизи от железнодорожных или трамвайных путей, и при длительной транспортировке кабеля, если барабаны с кабелем недостаточно амортизированы. Знакопеременные нагрузки в оболочке, возникающие при вибрации кабеля, приводят к усталости материала оболочки и ее растрескиванию, происходящему преимущественно по границам кристаллитов (зерен) свинца. В появившихся мелких трещинах образуется окись свинца, что ускоряет коррозию. Алюминиевые оболочки кабелей практически не подвержены межкристаллитной коррозии. 
 

2. РАСЧЕТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

2.1. Почвенная коррозия

Почвенная коррозия – разрушение металла в почве. Ежегодные потери металла вследствии протекания почвенной коррозии достигают 4%. Почвенной коррозии подвергаются различного назначения трубопроводы, резервуары, сваи, опоры, кабеля, обсадные трубы скважин, всякого рода металлоконструкции, эксплуатируемые в почве. Почва – очень агрессивная среда. Она состоит из множества химических соединений и элементов, многие из них только ускоряют коррозионный процесс. Агрессивность почвы (грунта) зависит от некоторых факторов: влажность, аэрация, пористость, рН, наличие растворенных солей, электропроводность. Классификация грунтов по коррозионной активности:

- высококоррозионные грунты (тяжелые глинистые, которые длительное время удерживают влагу);

- среднекоррозионные грунты;

- практически инертные грунты  в коррозионном отношении (песчаные  почвы).

Влияние различных факторов на почвенную коррозию

Влага в почве присутствует   почти  везде. Где-то ее больше, а где-то меньше. Именно влажность грунта  очень сильно влияет на скорость почвенной коррозии, превращая почву в электролит. Она же вызывает электрохимическую коррозию находящихся в грунте металлоконструкций. Вода в грунте может быть: капиллярной,   гравитационной,   связанной.  Капиллярная влага собирается   в  порах   грунта.  Высота  подъема  ее  по  капилляру зависит от диаметра пор. Капиллярная влага сильно влияет на скорость почвенной коррозии.   Связанная   влага  на  скорость  почвенной коррозии не влияет, т.к. находится в виде гидратированных химических соединений. Под действием силы тяжести в грунтах и почвах постоянно перемещается вода, которая  оказывает,  как и  капиллярная,  значительное  влияние  на   скорость почвенной коррозии.

Максимальная скорость почвенной  коррозии наблюдается при влажности  грунта 15 – 25%. Это объясняется уменьшением  омического сопротивления   коррозионных   элементов.   С повышением влажности почвы анодный процесс проходит легче (за счет затруднения пассивации поверхности металла), а   катодный   –   труднее   (грунт  насыщается влагой, затрудняется его аэрация). Влажность, при  которой наблюдается наибольшая скорость коррозии, называют критическим показателем влаги для грунта. Для глинистых грунтов он составляет около 12 – 25%, для песчаных 10 – 20%.

Пористость (воздухопроницаемость) грунта

Пористость (воздухопроницаемость) грунта  влияет на способность длительное время сохранять влагу и аэрацию. Воздухопроницаемость зависит от состава грунта, его плотности, влажности. Грунты, хорошо пропускающие воздух (песчаные), более агрессивны. В песчаных грунтах катодный процесс протекает с облегчением. На практике бывают случаи, когда подземный трубопровод большой  протяженности           проходит через разного вида грунты. Если он проходит     последовательно в песчаной, а потом глинистой почве, где условия    аэрации металлической поверхности очень различаются, то возникают аэрационные  микрогальванические коррозионные зоны. Поверхность трубопровода в песчаной  зоне будет играть роль катода, а глинистой – анода. Разрушение металла будет происходить на анодных участках, где затруднен доступ кислорода к поверхности. Интересно, что катодная и анодная зоны могут находится на расстоянии больше сотни метров. При этом коррозионный процесс будет отличаться омическим торможением.

Кислотность грунта.

Для большинства грунтов значение рН составляет 6,0 – 7,5. Высококоррозионными  являются почвы, рН которых сильно отличается от данного значения.  К ним относятся торфяные, болотистые грунты, значение рН которых  составляет 3 – 6. А также щелочные солончаки и суглинки, с рН почвы 7,5 – 9,5.  Очень агрессивной средой по отношению к сталям, свинцу,  меди, цинку является чернозем, содержащий органические кислоты.

Одна из самых агрессивных почв – подзол. Сталь в подзоле корродирует  в 5 раз быстрее, чем в других грунтах.

Кислотность грунтов ускоряет почвенную  коррозию, т.к. вторичные продукты коррозии становятся более растворимы, существует возможность дополнительной катодной деполяризации ионами водорода.

Электропроводность грунта.

Электропроводность грунта  зависит от его минералогического состава, количества влаги и солей  в почве. Каждый вид грунта имеет свое определенное значение электропроводности, оно может колебаться от нескольких единиц до нескольких сотен Ом на метр. Соленость грунта оказывает огромное влияние на его электропроводность. С увеличением содержания солей легче протекают анодный и катодный электродные процессы, что снижает электросопротивление. Почти всегда определив электропроводность грунта можно судить о его степени коррозионной агрессивности (для стали, чугуна). Исключение составляют водонасыщенные почвы.

Минералогический состав и неоднородность грунта.

Минералогический состав и неоднородность грунта оказывают большое влияние (как и влажность) на омическое  сопротивление. В глинисто-песчаном влажном грунте удельное сопротивление  почвы составляет около 900 Ом•см, а  в таком же грунте, только сухом – 240000 Ом•см. С уменьшением удельного сопротивления грунта его агрессивность увеличивается.

Минерализация почвы может колебаться в пределах 10 – 300 мг/л.

Неоднородность грунта приводит  к возникновению гальванопар, которые только усиливают почвенную коррозию, делают разрушение неравномерным.

Влияние температуры грунта на почвенную  коррозию металлов. Температура может  колебаться в очень больших пределах. Зимой, когда свободная вода, заполняющая  капилляры в почве замерзает -  скорость почвенной коррозии немного уменьшается. Это также связано с плохой аэрацией поверхности металла. В летнее время, когда на улице стоит жара, скорость почвенной коррозии может замедлятся также, что объясняется высыханием почвы. Самый большой ущерб  почвенная  коррозия     наносит в межсезонье, когда грунт достаточно   влажный,      созданы   оптимальные   условия для протекания коррозионного процесса. Температура грунта зависит  от времени года, географической широты, времени суток,  погоды.

Значительное различие температур на конструкции, имеющей большую протяженность (подземный трубопровод) может быть причиной образования термогальванических коррозионных  пар, которые обеспечивают усиление местной почвенной коррозии.

Влияние микроорганизмов  на почвенную коррозию металлов.

В почве живут и развиваются  два вида микроорганизмов: аэробные (могут существовать только при   наличии  кислорода), анаэробные (для обеспечения их жизнедеятельности кислород не требуется). Они оказывают огромное влияние на почвенную коррозию металлов. Почвенная коррозия металлических сооружений, вызванная жизнедеятельностью живых микроорганизмов носит название биологическая (биокоррозия) либо биохимическая.

Аэробные микроорганизмы  (почвенные) существуют  двух видов: одни принимают непосредственное участие в осаждении железа, другие – окисляют серу. Оптимальными условиями для существования анаэробных  серобактерий является кислая среда (3 – 6 рН). Серобактерии окисляют сероводород в серу, а потом - серную кислоту по следующим уравнениям:

2H₂S + O₂ = 2H₂O + S₂;

S₂ + 2H₂O + 3O₂ = 2H₂SO₄.

В местах наибольшего количества серобактерий концентрация  серной кислоты может достигать 10%. Это очень сильно ускоряет почвенную коррозию, особенно стали.

При  рН  грунта около 4 – 10 развиваются бактерии, перерабатывающие железо. Эти бактерии в процессе своей жизнедеятельности поглощают ионы железа, а выделяют нерастворимые соединения, содержащие Fe. В местах скопления железобактерий наблюдается большое количество нерастворимых железистых соединений, которые увеличивают гетерогенность поверхности. Это явление также оказывает большое влияние на скорость почвенной коррозии.

Анаэробные микроорганизмы могут  вырабатывать углеводороды, сероводород, угольную кислоту и множество других химических соединений. Они могут разрушать защитные покрытия, воздействовать на ход анодной и катодной реакции, менять характеристики почвы.

Среди анаэробных микроорганизмов  самыми опасными можно считать сульфатредуцирующие  бактерии. Оптимальные условия для их существования, почва со значением  рН 5,5 – 8 (болотные, глинистые, илистые грунты). Бактерии восстанавливают сульфаты, содержащиеся в почве. Этот процесс можно описать следующим уравнением:

MgSO₄ + 4H = Mg(OH)₂ + H₂S + O₂.

Выделившийся кислород обеспечивает протекание реакции на катоде. Сероводород и сульфиды в почве являются причиной появления на поверхности эксплуатируемой конструкции рыхлого слоя сульфида железа.

Коррозия носит питтинговый  характер.

Механизм и особенности  почвенной коррозии металлов

Почвенная коррозия почти всегда протекает  по электрохимическому механизму (исключения составляют лишь очень сухие грунты).

Анодный процесс при почвенной  коррозии – разрушение металла. На катоде же проходит кислородная деполяризация. Чаще всего кислородная деполяризация проходит с затрудненным доступом кислорода к поверхности корродирующего изделия. Подвод кислорода может осуществятся несколькими способами: диффузией в жидкой или газообразной среде или направленным течением этих фаз, перемешиванием фаз при помощи конвекции.

Во влажном грунте процесс проходит с преимущественно катодным контролем, а  сухих рыхлых почвах -  анодным.  Иногда, при работе протяженных микропар может наблюдаться катодно-омический контроль.

На катоде также может проходить и водородная деполяризация (только в условиях кислых грунтов). Существенно изменить ход коррозионного процесса могут и микроорганизмы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 2.2. КОРРОЗИЯ БЛУЖДАЮЩИМИ ТОКАМИ

 

Электрокоррозия вызывается блуждающими  в земле токами, которые возникают в оболочке, если вблизи от проложенного кабеля имеются источники и потребители постоянного тока, использующие в качестве обратного провода землю. Такими источниками являются тяговые подстанции для питания электрифицированных железных дорог и линий трамваев (рис. 1).

 

 

 

 

Рис. Распределение блуждающих токов:

1-контактный провод, 2-рельсы, 3-кабель, 4-катодная зона, 5-анодная  зона, 6-отсасывающая линия, 7-тяговая  подстанция, 8- питающая линия.

Электрический ток от положительного полюса генератора поступает на контактный провод и через него в двигатель вагона, затем по рельсам возвращается к отрицательному полюсу генератора. Однако из-за большого сопротивления рельсовых путей, а также плохой их изоляции от земли, часть тока не достигает отрицательного полюса генератора и стекает в землю. Такие токи называются блуждающими. Встречая на своём пути металлическую оболочку кабеля, блуждающие токи проходят по ней и в какой-то зоне сходят с оболочки в землю и протекают к рельсу, чтобы возвратится к другому полюсу генератора. Участок кабеля, где блуждающие токи входят в его оболочку из земли, называются катодной зоной, а где выходят из кабеля в землю анодной зоной.

Вход и выход  блуждающего тока с оболочки кабеля определяется потенциалом оболочки по отношению к потенциалу земли. В катодной зоне потенциал оболочки ниже потенциала земли, а в анодной, наоборот, потенциал земли ниже потенциала оболочки. Разрушение свинцовой оболочки происходит в анодной зоне, причем, иногда значительное. Установлено, что в течение года блуждающий ток силой в 1А, протекающий по свинцовой оболочке, разъедает около 36 килограммов свинца, а он иногда достигает нескольких десятков ампер.