ИССЛЕДОВАНИЕ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ПИТТИНГОВОЙ КОРРОЗИИ ОЦИНКОВАННЫХ ТРУБ В СИСТЕМАХ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 628.1

ИССЛЕДОВАНИЕ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ПИТТИНГОВОЙ КОРРОЗИИ ОЦИНКОВАННЫХ ТРУБ В СИСТЕМАХ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

А.П. Андрианов, В.А. Чухин

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский

Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), г. Москва

Аннотация. Ключевые слова:

Рассмотрен механизм питтинговой коррозии оцинкованных труб в система горячего водоснабже-

системах горячего водоснабжения (ГВС). Проведен эксперимент, мо- ния, стальные оцинкованные

делирующий начало коррозии стальных оцинкованных труб в горя- трубы, питтинговая коррозия,

чей воде, изучен внешний вид образующихся коррозионных отложе- кислородная деполяризация, во-

ний и их химический состав. дородная деполяризация, корро-

зионный осадок, сканирующая

электронная микроскопия.

История статьи:

Дата поступления в редакцию

19.02.21

Дата принятия к печати 22.02.21

о

Сй

1-

и

.0

с;

ш

1-

О

а

1-

и

О

г

м

О

-1

м

Э

СО

1. Введение ¡^ а.

Проведенные ранее исследования по коррозии оцинкованных труб показали, что важными ю И

факторами, оказывающими влияние на высокую скорость коррозии, являются: нарушение режи- ш I

ма эксплуатации, неравномерность распределения толщины цинкового покрытия по внутренней I {§

" о

поверхности трубы, наличие сварных соединений и запорной арматуры из углеродистой стали без о ^

I

покрытия, а также низкие скорости движения воды, не обеспечивающие вынос продуктов корро- ^ 5

^ З1

зии из системы ГВС [1, 2]. Однако, сам механизм ускоренной коррозии, приводящий к появлению о О

свищей в оцинкованных трубах, особенно в горячем водоснабжении, остается недостаточно из- ^ ^

■ м

ученным. Имеется большое количество отечественной и зарубежной литературы, посвященной ^С О

вопросам коррозии стальных труб, в том числе в системах ГВС [3-9], но в большинстве случаев X о

ответа на вопрос, почему при, казалось бы, «стандартных» условиях в системе водоснабжения 3"

возникает аномально быстрая коррозия, найти не удается. т

ей о

Под питтинговой коррозией понимают «локальную коррозию металлической поверхности, , !=

СО <р

ограниченную определенной точкой или небольшой областью, которая принимает форму поло- О н

^ н

стей» [10]. Этот тип коррозии быстро протекает на отдельных участках, в то время как остальная ^ ¡5

поверхность корродирует с гораздо более низкой скоростью. Питтинговая коррозия характерна для ^ 5

металлов, проявляющих пассивность при воздействии сильных окислителей. Некоторые металлы ^

и сплавы имеют участки, которые преимущественно подвержены воздействию точечной коррозии. ^ о

С

Эти участки становятся анодами, в то время как остальная поверхность металла является катодом. ^ о

Формирование анода является необходимым условием появления питтинговой коррозии. При этом формирование анода может быть вызвано [11]:

- неоднородностью поверхности металла;

- разрушением пассивной пленки;

- осаждением твердых частиц на поверхности металла.

Цинковое покрытие на внутренней поверхности предотвращает коррозию нижележащей стальной трубы, образуя физический барьер из-за появления на поверхности трубы коррозионно-стойкого осадка, состоящего из оксида цинка, гидроксида цинка и карбоната цинка. В том случае, если на поверхности имеются повреждения слоя цинка, то по отношению к стальной основе трубы цинк действует как жертвенный анод. При воздействии воды сначала подвергается коррозии слой цинка, а затем появляется точка локального проникновения, где цинк истощается и обнажается нижележащая сталь.

По мере того, как цинк продолжает растворяться вокруг точки проникновения, а площадь оголенной стали расширяется, оставшаяся «протекторная способность» цинка в конечном итоге становится недостаточной для защиты стали. Открытая сталь начинает испытывать локальную коррозию, образуя бугорки [11].

В новых трубах коррозия цинкового покрытия протекает аналогично коррозии стальных труб, т.е. с кислородной деполяризацией. В горячей воде при отсутствии деаэрации содержание кислорода соответствует его количеству в холодной воде перед подачей в водонагреватели. Кислород выделяется (накапливается) в зонах с низким давлением или по верхней образующей горизонтальных труб, что способствует возникновению значительных по площади катодных участков на поверхности трубы. Наличие на поверхности трубы небольшого участка с локальным дефектом покрытия или более электроотрицательным, чем цинк включением, приводит к появлению анодов. Первоначально локально разрушается цинковое покрытие, а затем корродирует стальная основа трубы.

Исследования по коррозии оцинкованных труб практически отсутствуют. Известно, что интенсивная коррозия протекает в течение первых месяцев, а затем скорость коррозии снижается [12] Как показали испытания, наиболее быстро цинковое покрытие разрушается в первые месяцы эксплуатации. Так, в первый, второй и третий месяцы толщина цинкового покрытия уменьшилась, соответственно, на 17, 9 и 6%, тогда как в последующие 9 месяцев — на 1% [12].

Цель описываемого в статье исследования — детально изучить механизм питтинговой коррозии стальных оцинкованных труб в системах водоснабжения. Настоящая статья посвящена исследованию начальной стадии этого процесса — перехода сплошной коррозии к бугорковой (питтинговой).

2. Материалы и методы

В лаборатории кафедры водоснабжения и водоотведения НИУ МГСУ были проведены исследования по изучению морфологии, структуры и химического состава осадка, образующегося на новых стальных оцинкованных трубах, изготовленных по ГОСТ 3262-75. Покрытие нанесено методом горячего цинкования.

Структуру и состав осадка изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа Quanta 250 FEI и энергодисперсионной спектроскопии EDAX.

3. Результаты и обсуждение

На рис. 1, а приведена фотография поверхности образца новой оцинкованной трубы, а образец, показанный на рис. 1, б, в течение 25 часов находился в открытой емкости, в которую поступала струя горячей воды из водопровода.

На рис. 2, а представлена микрофотография поверхности образца новой оцинкованной трубы, а на рис. 2, б микрофотография этой же трубы после нахождения ее в воде в течение 25 часов. Из фотографии можно сделать вывод, что осадок образуется в виде бугорков и имеет кристаллическую, дендритную, структуру. При этом коррозия протекает с кислородной деполяризацией.

а) б)

Рис. 1. Фотография поверхности образца оцинкованной трубы (Ду 20): а) новая труба; б) после 25 часов нахождения в воде.

а) б)

Рис. 2. Микрофотографии внутренней поверхности образца оцинкованной трубы (Ду 20): а) новой трубы, б) после 25 часов нахождения в воде

О

Z м

О

-I

м

D CD

В таблице 1 приведен элементный химический состав поверхности трубы до и после погружения в воду. Из таблицы следует, что основными компонентами поверхностного слоя новой трубы являются чистый цинк, а также оксиды и карбонаты цинка. В таблице 1 приведены также данные по составу цинкового покрытия образца оцинкованной трубы после 25 часов нахождения в проточной горячей воде (рис. 2, б).

Таблица 1

Элементный состав внутренней поверхности образца оцинкованной трубы, определенный по результатам энергодисперсионной спектроскопии

Element EDS Quantitative Results

Новая труба После испытания в течение 25 часов

Wt% At% Wt% At% Wt% At%

C 2,91 10,59 10,18 25,28 12,77 26,77

O 10,56 28,83 22,56 42,08 31,20 49,10

Al 1,56 2,53 1,83 2,02 2,49 2,33

Si 0,32 0,50 0,49 0,52 1,00 0,90

P 0,33 0,47 0,08 0,08 0,16 0,13

S 0,33 0,46 0,30 0,28 0,50 0,39

Cl 0,33 0,40 0,22 0,18 0,38 0,27

ю >

а н

х

i i

га со

0

X

1

I

J

ц

га т га i

<и

S

1

га и

о ^

£ *

5 о

И I

■ m

X о S о

2 ° Т *

< s

to о 8 1 м

и s

х га

о ^ 0

< I

Продолжение таблицы

К 0,29 0,33 0,11 0,09 0,23 0,15

Са 0,31 0,34 0,29 0,21 0,52 0,33

Бе 0,86 0,67 0,62 0,33 0,67 0,30

Си - - 1,67 0,79 4,80 1,90

7п 82,18 54,89 61,64 28,14 45,27 17,44

Примечание: — весовые проценты; At% — атомные проценты. Для образца, находящегося в горячей воде в течение 25 часов, приведены значения химических элементов при сканировании в двух различных точках поверхности.

Из сравнения элементного состава осадка на поверхности образца для новой трубы и подверженной кратковременной коррозии следует вывод, что произошло снижение содержания цинка в поверхностном слое с 82,18% у новой трубы (по весу) до 61,64...45,27% после пребывания образца в горячей воде, т.е. коррозия цинкового покрытия протекает с образованием нового защитного слоя, состоящего из гидрок-сидов и карбонатов цинка, состав которого можно выразить общей формулой ш7пС03-п7п(0Н)2.

Дальнейшее развитие коррозии оцинкованных труб может быть проиллюстрировано на примере следующих фотографий. На рис. 3 представлены микрофотографии осадка, образованного на поверхности образца оцинкованной трубы диаметром 15 мм после 70 суток нахождения в системе ГВС при непрерывном протекании горячей воды с небольшим расходом 30 л/ч, температурой 50 (+/-2оС) и скоростью 6 см/с.

а) б)

Рис. 3. Микрофотографии бугорков на поверхности оцинкованной трубы У" (Ду 15): а) основание бугорка с отверстием, б) обратная сторона вершины бугорка с отверстием

Из рис. 3, а видно, что с течением времени меняется морфология осадка, вся поверхность образца покрывается бугорками и некоторые из них в верхней части имеют отверстия. На рис. 3, б показана верхняя часть бугорка, вынесенная потоком воды. По-видимому, после того как бугорок сформировался, внутри бугорка продолжается коррозия с водородной деполяризацией, и вследствие повышения давления водорода бугорок разрушается. Источником ионов водорода является бикарбонатные ионы, определяющие щелочность воды. В таблице 2 приведены данные по химическому составу осадка, образующему верхнюю часть бугорка, представленную на рис. 3, б.

Из таблицы 2 следует, что внутри бугорка в основном происходит кристаллизация карбоната цинка 7иС03 и железа БеСОЗ. Небольшое количество в составе осадка железа свидетельствует о том, что при коротком сроке эксплуатации цинковое покрытие хорошо выполняет защитные функции. Приведенные примеры коррозии показывают, что для полного разрушения цинкового покрытия требуется проведение более длительных исследований.

Таблица 2

Элементный состав внутренней поверхности бугорка

Элемент Wt,% At,%

C 12,75 27,04

O 30,55 48,65

Fe 9,26 4,22

Cu 3,48 1,40

Zn 40,24 15,68

4. Выводы

Представлены результаты лабораторного исследования начальной стадии коррозии оцинкованных труб. Показано, что на начальном этапе осадок формируется уже в виде бугорков и имеет кристаллическую, дендритную структуру. Сначала коррозия происходит с кислородной деполяризацией, после образования бугорка коррозия внутри него продолжается с водородной деполяризацией.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Чухин В.А., Андрианов А.П. Ускоренная коррозия оцинкованных трубопроводов в системах ГВС // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2019. №7. С. 22-30.

2. Андрианов А.П., Чухин В.А. Идентификация коррозии оцинкованных труб в системе водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 2019. №9. С. 39-44.

3. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: Пер. с англ. / Под ред. А.М. Сухотина. — Л.: Химия, 1989. — Пер. изд., США, 1985. — 456 с.

4. Акользин П.А. Предупреждение коррозии оборудования технического водо- и теплоснабжения. — М.: Металлургия, 1988. — 95 с.

5. Зайцев А.Н, Суздальцева Е.Н. К вопросу о коррозии труб горячего водоснабжения из нержавеющей стали // Системные технологии. 2017. № 23. С. 4-14.

6. Akpanyung K.V., Loto R.T. Pitting corrosion evaluation: a review. International Conference on Engineering for Sustainable World // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1378. 022088.

7. Sarin P., Snoeyink V.L., Lytle D.A., Kriven W.M. Iron Corrosion Scales: Model for Scale Growth, Iron Release, and Colored Water Formation // Journal — Environmental Engineering. 2004. V. 130(4). Pp. 365-373.

8. Wang Y., Cheng G., Wu W, Li Y. Role of inclusions in the pitting initiation of pipeline steel and the effect of electron irradiation in SEM // Corrosion Science. 2018. V. 130. Pp. 252-260.

9. Saeedikhani M, Wijesinghe S., Blackwood D.J. Moving boundary simulation and mechanistic studies of the electrochemical corrosion protection by a damaged zinc coating // Corrosion Science. 2020. V. 163. 108296.

10. ASM Handbook. V. 13A. Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection. 2003. 1022 p.

11. Loto R.T. Pitting corrosion evaluation of austenitic stainless steel type 304 in acid chloride media // Journal of Materials and Environmental Science. 2013. V. 4 (4). Pp. 448-459.

12. Рейзин Б.Л., Стрижевский И.В., Сазонов Р.П. Защита систем горячего водоснабжения от коррозии. — М.: Стройиздат, 1986. — 112 с.

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

А.П. Андрианов, В.А. Чухин. Исследование начальной стадии питтинговой коррозии оцинкованных труб в системах горячего водоснабжения. — Системные технологии. — 2021. — № 38. — С. 9—14.

Z м

О

-I

м

D CD

ю >

а н

х

i i

га со о

X X

I

J

ц

га т га х

<и

S X

га и

о ^

£ *

5 о

И I

■ m

X о S о

2 ° Т *

< s

to о 8 1 м

и s

x га

о ^ 0

< I

STUDY OF THE INITIAL STAGE OF PITTING CORROSION OF GALVANIZED PIPES IN HOT WATER SUPPLY SYSTEMS

A.P. Andrianov, V.A. Chukhin

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow

Abstract.

The mechanism of pitting corrosion of galvanized pipes in hot water supply systems is considered. An experiment simulating the onset of corrosion of galvanized steel pipes in hot water was carried out; the appearance of corrosion deposits and their chemical composition were studied.

Key words:

hot water system, steel galvanized pipes, pitting corrosion, oxygen depolarization, hydrogen depolarization, corrosion deposits, SEM.. Date of receipt in edition: 19.02.21 Date o f acceptance for printing: 22.02.21

УДК 628.1

СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ ВНУТРЕННЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

В.Б. Викулина

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский

Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), г. Москва

Аннотация.

В статье рассматривается современный подход к проектированию систем внутреннего водоснабжения высотных зданий. Сегодня в крупных городах активно развивается высотное строительство. Это требует разработки специального подхода к проектированию систем внутреннего водопровода для обеспечения комфортного проживания в высотных зданиях. Предлагается обеспечивать высокий уровень надежности систем внутреннего водоснабжения, чтобы снизить затраты на капитальный ремонт инженерных систем, а также предотвратить различные виды аварий. Внедрение систем автоматизации зданий позволяет значительно снизить водопотребление, а также добиться стойкого водосбережения. Целесообразным становится снижение водопотребления до 120 литров на человека в сутки, использование дождевых вод на различные хозяйственные цели, а также применение оборотных систем водоснабжения.

Ключевые слова:

высотное здание, строительство, внутренний водопровод, водоразборный прибор, оборотная система водоснабжения, водосбе-режение, автоматизация зданий. История статьи: Дата поступления в редакцию 29.01.21

Дата принятия к печати 30.01.21