CC BY
289
УДК 620.193.92
Е. Ю. Старикова
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВ И ГРУНТОВ
Многие металлические конструкции, такие, как нефтепроводы, газопроводы, сваи и др., эксплуатируются в подземных условиях и, соприкасаясь с почвой или грунтом, подвергаются коррозионному разрушению. Вследствие коррозии ежегодно выходит из строя 2-3% подземных сооружений.
Коррозия металлов в поч-вогрунтах протекает по электрохимическому механизму, и её скорость зависит от многих факторов: наличия влаги, воздухопроницаемости, pH, неоднородности и электропроводимости грунтов. Величина электрической проводимости грунтов, как правило, является прямой характеристикой их коррозионной агрессивности [1].
Электропроводность грунтов - способность грунтов проводить электрический ток. Это свойство характеризуется величиной удельной электропроводности и удельного электрического сопротивления. Величина удельной электропроводности является одним из параметров для расчета катодной защиты металлических сооружений,
эксплуатируемым в контакте с почвой и грунтом [1].
Электропроводность и электрическое сопротивление грунтов являются сложными и достаточно изменчивыми характеристиками. Их величина зависит от большого комплекса факторов, наиболее важными из которых являются минеральный состав грунтов, их дисперсность, структурно-текстурные особенности, влажность, химический состав и концентрация порового раствора, температура и давление. Вследствие этого удельное электрическое сопротивление может меняться в широких пределах (от 10-3 до 106) [2]. Электропроводность сухих грунтов во много раз меньше,
чем влажных, что объяснятся резкой разницей удельного электрического сопротивления воздуха и воды. Поэтому трещиноватые и кавернозные сухие скальные грунты имеют очень высокое удельное электрическое сопротивление. Электропроводность сухих невязких грунтов также высокая и в основном определяется сопротивлением контактов твердой фазы между отдельными зернами.
Наличие в грунтах водных растворов резко повышает их электропроводность. Благодаря их присутствию удельное электрическое сопротивление грунтов в естественных условиях во много раз меньше сопротивления основных породообразующих минералов, т.к. жидкая компонента представляет собой природный электролит различного состава и концентрации. Для него характерна ионная электропроводность. Удельная электропроводность природных вод от 10-2 до 103 и уменьшается с увеличением концентрации.
Наибольшие изменения электропроводности с повышением влажности грунтов наблюдаются в пористых осадочных породах. Например, при увлажнении сухого песчаника на 2-3% его удельное электрическое сопротивление уменьшается на несколько порядков. С увеличением влажности до 6080% от величины полной влаго-емкости электропроводность возрастает до максимума. При дальнейшем увеличении влажности в слабозасоленных грунтах электропроводность может уменьшиться вследствие разбавления содержащегося в порах раствора электролита.
Большая часть грунтов характеризуется электрической анизотропией: электропроводность
слоистых грунтов вдоль напластования всегда выше, чем пер-
пендикулярно напластованию. Это свойство характеризуется коэффициентом анизотропии, т. е отношением сопротивления перпендикулярно и вдоль напластования, его величины от 1,1 до 2,75. В некоторых случаях анизотропия электрических свойств обусловлена ориентировкой пор и частиц в грунтах.
Электропроводность грунтов в значительной степени зависит от температуры. С возрастанием температуры возрастает электропроводность, при увеличении температуры на 4050 °С электросопротивление
уменьшается в два раза. С понижением температуры грунта и образованием льда в его порах электрическое сопротивление резко падает. Удельное электрическое сопротивление льда в три раза выше сопротивления чистой воды. При дальнейшем понижении температуры мерзлой толщи льдистость увеличивается, уменьшается количество незамерзшей воды, а электрическое сопротивление возрастает. С увеличением давления наблюдается повышение электропроводности, что вызвано
уменьшением пористости, а при больших давлениях - увеличением площади контактов между частицами. Кроме того при этом возрастает степень влажности у неполностью водонасыщенных грунтов.
Коррозионная активность грунтов существенно зависит от химического состава грунтов и, в частности, от наличия и состава водорастворимых соединений [3]. Несмотря на то, что их содержание в грунтах обычно невелико, они играют важную роль в образовании порового электролита, формировании его удельного электрического сопротивления и тем самым влияют на протекание всего процесса коррозии. Замечено,
что с повышением содержания ионов С1" и 804-2 (примерно свыше 0,1%) коррозионная активность грунтов обычно увеличивается: высокому содержанию хлоридов в грунтах почти всегда соответствует интенсивная коррозия металла, в меньшей степени это относится к сульфатам. Большое влияние на коррозионные свойства грунтов оказывает наличие в них катионов Са+2 и №+. Оба эти соединения влияют на водо- и воздухопроницаемость грунтов и тем самым определяют соотношение жидкой и гаообразной компонент в грунтах, под действием которых изменяются коррозионные свойства грунтов.
Кислотность грунтов в большинстве случаев не оказывает непосредственного влияния на скорость коррозии. Достаточно интенсивная коррозия может происходить и в кислых грунтах (рН = 3-4), и в щелочных (рН < 14), и в нейтральных (рН = 7). Однако при высоких значениях кислотности (рН=2-3) и щелочности (рН=11-14) грунтов всегда наблюдается наиболее интенсивная коррозия. При кислотности, близкой к нейтральной, интенсивность коррозии зависит от других факторов. Наиболее часто встречающееся значение рН водных вытяжек 6,5-7,2 [4].
На коррозионную активность грунта огромное влияние оказывает их влажность. В абсолютно сухих грунтах коррозия не наблюдается из-за отсутствия электролитов. Предельная влажность, обеспечивающая возрастание скорости до максимальной, наблюдается в связанных грунтах и составляет до 1012%, а в песках она несколько ниже. При последующем увели-
чении влажности максимальная скорость коррозии остается практически постоянной до некоторого предела влажности (20-25%). При этой влажности еще не создается сплошной непрерывный слой воды в порах грунта, который препятствовал бы проникновению к поверхности металла воздуха из атмосферы, необходимого для протекания процесса электрохимической коррозии. При полном насыщении пор водой или влажности, близкой к полной влагоемкости, образуется
сплошной слой водного раствора, затрудняющий проникновение воздуха к металлу и скорость коррозии резко падает.
Коррозионная активность грунтов также зависит от насыщенности их газами. В частности, с неодинаковой степенью насыщенности грунтов газами на разной глубине связаны скопления глубоких раковин на нижней поверхности труб по сравнению с верхней поверхностью. Это объясняется образованием аэрационных пар с появлением анодных зон на нижних частях труб, к которым доступ кислорода затруднен.
Для изучения коррозионной активности почв был разработан и изготовлен лабораторный стенд, состоящий из трёх частей, на котором определялась коррозионная активность почв по трём показателям: потере массы стального стандартного образца, удельному электрическому сопротивлению грунта и плотности катодного тока. Кроме того, для дополнительной оценки коррозионной активности, определялись значения рН водных вытяжек проб грунта.
Для определения коррозионной активности производили
отбор и обработку проб испытываемого грунта. Пробы массой 1,5г2 кг отбирали в траншеях из слоев, расположенных на глубине прокладки водо- и теплопроводов, удаляли твердые включения размером более 3 мм, просушивали при температуре не выше 105 °С, размельчали в ступке до порошкообразного состояния и просеивали через сито с отверстиями 1,5г2,5 мм. Подготовленную пробу грунта увлажняли дистиллированной водой до достижения влажности, соответствующей влагонасыщению.
Для подготовки водной вытяжки пробу грунта помещали в колбу емкостью 1 л, заливали дистиллированной водой (отношение 1:5), колбу закрывали пробкой и содержимое взбалтывали в течение 5 мин. Полученную суспензию фильтровали через фильтр [6].
1. Определение потери массы производилось на установке, состоящей из стального стакана высотой 110 мм и внутренним диаметром 80 мм, источника постоянного тока с выходным напряжением 6 В и стальной трубки длиной 100 мм с внутренним диаметром 20 мм. Перед испытанием поверхность трубки зачищали, обезжиривали и взвешивали с точностью до 0,1 г. Трубку устанавливали в стакан и изолировали от дна резиновой пробкой. Стакан заполняли испытуемым грунтом на 5 мм ниже верхнего конца трубки и тщательно уплотняли. К трубке подключали положительный, а к стакану - отрицательный полюс источника постоянного тока. Трубка находилась под током в течение 24 ч при напряжении между трубкой и банкой - 6 В. После отключе-
Таблица 1. Коррозионная активность почв и грунтов по отношению к стали [5]
Коррозионная активность грунта Удельное электросопротивление грунта р, Ом • м Потеря массы стандартного образца Ат , г Средняя плотность катодного тока ік, мА/см2
Низкая Свыше 50 До 1 До 0,5
Средняя 20 -г- 50 1 г 2 0,5 г 2,0
Высокая До 20 Свыше 2 Свыше 2,0
1 6) \Г
-М1
Ь=45
Рис. 1. Схема лабораторной установки а) определение удельного электросопротивления грунта: 1 - источник постоянного тока, 2 - миллиамперметр, 3 - регулятор тока, 4 - милливольтметр, 5 - ячейка, А, В -внешние электроды, М, N - внутренние электроды; б) построение поляризационных кривых: 1 - источник постоянного тока, 2 - миллиамперметр, 3 - милливольтметр, 4 - регулятор тока, 5 - ключ, 6 -
грунт, 7 - электроды, 8 - ячейка
ния тока трубку извлекали из грунта, очищали, промывали и подвергали катодному травлению при напряжении 6 В в 8 %-ном растворе гидрата окиси натрия в течение 15 - 20 мин. После удаления продуктов коррозии образец промывали дистиллированной водой, высушивали и взвешивали с точностью до 0,1 г и определяли потерю массы образца [7].
2. Удельное электросопротивление грунта определяли на установке (рис.1 а), схема которой включает в себя: источник постоянного тока (1), ячейку (5) из диэлектрического материала, милливольтметр (4), миллиамперметр (2), регулятор тока (3), внешние (А и В) и внутренние (М и М электроды. Внешние электроды - из стали размером 40^44 мм. Внутренние электро-
ды - из медной пластины. Ячейку заполняли грунтом на 4 мм ниже верхней кромки. Внутренние электроды устанавливали в грунт вертикально, опуская их до дна по центральной линии ячейки на расстоянии 50 мм друг от друга и 25 мм от внешних электродов. Внешние электроды подсоединяли к источнику постоянного тока последовательно с миллиамперметром, а внутренние подсоединяли к милливольтметру. Ступенчато устанавливали значение силы тока 1, 2 и 3 мА и снимали показания вольтметра. Затем изменяли полярность внешних электродов и повторяли измерения и определяли среднее значение сопротивления грунта
Яср=^Кг /п , где П - число замеров. По измеренным вели-
чинам рассчитывали удельное сопротивление грунта р, Ом-м, по формуле р= ЯсР (£//) , где Я - площадь поверхности одной стороны внешних электродов, м2; I - расстояние между внутренними электродами, м [7].
3. Упрощённые поляриза-
ционные кривые строили с помощью установки (рис.1 б), схема которой включает в себя: источник постоянного тока (1), ячейку (8) из диэлектрического материала, милливольтметр (3), миллиамперметр (2), регулятор тока (4), ключ (5) и стальные электроды (7) размером 20*50 мм. В ячейку с грунтом устанавливали электроды и предварительно выдерживали их в течение 15 минут. Один электрод присоединяли к положительному полюсу источника тока, другой - к отрицательному. Для снятия поляризационных кривых электроды поляризовали при постепенном увеличении силы тока. Последнее значение силы тока соответствовало разности потенциалов между электродами около 0,6 В. Продолжительность поддержания каждого значения силы тока - 5
минут. Измерение разности потенциалов между электродами производили в момент разрыва цепи поляризации ключом. По измеренной силе тока и площади электродов определяли плотность тока. На основании полученных данных строили упрощенные поляризационные кривые зависимости разности потенциалов от плотности катодного тока и=/(1) и определяли плотность тока, соответствующую разности потенциалов
0,5 В [6]. На рис. 2 приведены примеры нескольких поляризационных кривых, построенных на основании экспериментальных данных.
4. Определение рН водных вытяжек проб грунта производилось с помощью рН-метра-милливольтметра рН-150МА.
В ходе эксперимента исследовались 20 проб грунта, отобранных в различных частях г.
Рис. 2. Поляризационные кривые
Таблица 2. Результаты определения коррозионной активности проб грунтов
№ п/п Потеря массы Удельное электросопро- Плотность катодного тока рН водной
образца, Ат , г тивление, р, Ом-м при 0,5 В, ік , мА/см2 вытяжки
1 2,47 1,05 5,27 8,2
2 2,34 1,29 5,47 8,2
3 3,3 0,49 4,5 7,4
4 2,05 1,29 3,23 8,1
5 3,24 0,86 4,29 8,3
6 4,62 0,35 3,25 7,1
7 2 7,47 2,88 7,9
8 4 0,79 7,33 7,8
9 3,05 1,63 3,88 7,5
10 4,07 0,85 5,06 8,4
11 3,2 1,61 2,35 8,3
12 4,05 0,8 7,43 8,1
13 2,14 1,7 2,98 6,5
14 4,74 0,39 3,75 7,0
15 2,41 1,36 5,37 7,7
16 4,27 0,91 5,66 7,6
17 2,15 1,42 3,43 7,5
18 2,47 1,25 5,37 7,8
19 3,45 0,59 4,75 8,4
20 3,54 0,96 4,45 7,1
Кемерово и Кемеровского района. Результаты всех экспериментов сведены в табл. 2. Коррозионную активность грунта определяли по показателю, характеризующему наибольшую коррозионную активность.
Грунты, обладающие высокой коррозионной активностью,
согласно ГОСТ (табл. 1) [5],
имеют удельное электросопротивление менее 20 Ом-м, катодный поляризующий ток более 2,0 мА/см2 и потерю массы стального образца более 2 г. Все исследованные пробы грунта имеют высокую коррозионную активность по отношению к стали.
Знание коррозионной активности почв и грунтов даёт возможность определить срок службы металлических сооружений, находящихся с ними в контакте, и спроектировать соответствующую защиту от коррозии [8].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Защита подземных металлических сооружений от коррозии: Справочник / И.В. Стрижевский, А. В. Белоголовский, В. И. Дмитриев и др.- М.: Стройиздат, 1990. - 303 с.
2. Трофимов В.Т. Грунтоведение. - М.: Наука, 2005. - 1023 с.
3. Стрижевский И. В. Подземная коррозия и методы защиты. - М.: Металлургия, 1986. - 112 с.
4. Теплинский Ю.А. Проведение исследований на участках магистральных газопроводов, подверженных КРН // Коррозия: материалы, защита, 2005, № 6, с. 10-18.
5. ГОСТ 9.602-89. Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. Введ. в действ. 01.01.1991.
6. Волков Б.Г. Справочник по защите подземных металлических сооружений от коррозии - Л.: Недра, 1975. - 224 с.
7. Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии. РД 153-39.4-091-01.-СПб.: Издательство ДЕАН, 2002. - 240 с.
8. Сборник руководящих материалов по защите городских подземных трубопроводов от коррозии. -Л.: Недра, 1987. - 408 с.
□ Автор статьи:
Старикова Елена Юрьевна - канд.техн.наук, доц. каф. процессов, машин и аппаратов химических производств
