5.2.7. Подземная коррозия

Подземная или грунтовая коррозия металлов развивается в почвах и грунтах и является разновидностью электрохимической коррозии. Она поражает нефтяные, газовые, водные и другие трубопроводы и коммуникации, проложенные под землей.

Коррозионная активность грунта определяется его пористостью, влажностью, солевым составом, электропроводностью и значением рН. Особенно опасны почвы, имеющие повышенную кислотность и умеренную влажность (рН < 3, влажность  20 %). В сухих грунтах коррозия практически не протекает.

Механизм подземной коррозии аналогичен механизму атмосферной коррозии (при невысокой влажности и хорошей воздухопроницаемости) или механизму коррозии при полном погружении металла в электролит.

Подземные трубопроводы могут корродировать также за счет работы протяженных макрогальванических пар, возникающих из-за неодинаковой аэрации или различия в составе грунта на соседних участках. При этом катодные и анодные участки могут находиться на расстоянии до нескольких километров друг от друга.

Грунтовая коррозия опасна тем, что поражение очень часто принимает форму питтинга (раковин, а в дальнейшем и свищей), что крайне опасно для трубопроводов.

5.2.8. Электрокоррозия

Электрокоррозия – это электрохимическая коррозия под действием внешнего источника постоянного тока. Источником тока являются блуждающие токи от электрифицированных железных дорог, трамвая (рельсовые пути, которые недостаточно изолированы от земли и имеют плохой контакт между собой). Еще одним источником блуждающих токов могут быть различного рода производства, использующие мощное оборудование, работающее на постоянном токе.

Если в зоне блуждающих токов оказываются металлические магистрали (трубопроводы, кабели), то они становятся частью параллельной цепи, так как имеют несравнимо более высокую проводимость по сравнению с почвой (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Схема коррозионного воздействия блуждающих токов

на подземные металлические коммуникации:

I– катодная зона;II– нейтральная зона;III– анодная зона

Участок входа становится катодной зоной, участок выхода тока – анодной. Скорость коррозии может быть значительной, так как блуждающие токи достигают значений до 200 А (в среднем 10-20 А).

При повреждении изоляции в отдельных точках анодной зоны коррозия резко возрастает из-за большой плотности тока. Сталь корродирует только в анодной зоне, алюминий разрушается и на катодных участках из-за подщелачивания среды по механизму коррозии с кислородной деполяризацией.

5.3. Биокоррозия^*

5.3.1. Микроорганизмы

Микробиологическое разрушение материалов машин, оборудования и сооружений возникает в результате воздействия различных биофакторов: бактерий, грибов, лишайников.

Грибы делятся на настоящие грибы, оомицеты и грибы – слизевики. Большинство из них является хемосинтезирующими аеробами и нуждается в кислороде воздуха.

Из многих простейших большинство является микроскопическими формами, и лишь некоторые из них достигают в длину 1 мм. По современным представлениям простейшие относятся к миру животных.

Лишайники состоят из водорослей и грибов. В качестве водорослей выступают цианобактерии или зеленые водоросли, а в качестве грибов – аскомицеты (сумчатые грибы). Лишайники обнаруживаются всюду, где есть минимальные условия для их жизни. Известно около 10 тыс. видов лишайников.

Повсеместное распространение микроорганизмов обусловлено их метаболическим разнообразием и способностью приспосабливаться к изменяющимся условиям среды и источникам питания.

В зависимости от того, в какой химической форме микробы получают из окружающей среды углерод, их подразделяют на автотрофные организмы, которые могут использовать в качестве единственного источника углерода неорганические соединения (СО₂, карбонаты), и гетеротрофные, получающие углерод из восстановленных органических соединений. По отношению к источникам энергии их подразделяют на фототрофные организмы, использующие энергию солнечного света, и хемотрофные, получающие энергию в результате окислительно-восстановительных реакций.

В зависимости от природы донора электронов, которые микробы используют для получения энергии, их подразделяют на литотрофные, использующие неорганические соединения, и органотрофные, у которых донором электронов может служить лишь органическое вещество.

В зависимости от типа дыхания микроорганизмы делятся на аэробные, использующие молекулярный кислород, и анаэробные, использующие какое-либо другое вещество. Многие микроорганизмы могут существовать как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Их называют факультативными анаэробами.

Отличительной чертой микроорганизмов как биофактора является их тесная связь со средой обитания, которая проявляется в необычной для высших организмов интенсивности обмена и чрезвычайной лабильности организации. Микробная клетка может рассматриваться как биологическая машина широкого спектра действий, которая по своим возможностям далеко превосходит технологические системы, сконструированные человеком. Ввиду малых размеров клетки микробы имеют огромную по сравнению с массой и объемом поверхность. Особенность микробиологических трансформаций по сравнению с химическими реакциями и процессами заключается в том, что большая их часть является результатом действия нескольких ферментов.

Исключительность микроорганизмов проявляется и в их способности существовать в самых разнообразных условиях внешней среды и противостоять действию факторов, неблагоприятных для живой клетки.

Весьма широк диапазон температур, в котором могут жить, размножаться или сохраняться микроорганизмы. Психрофильные формы – обитатели холодных поясов – растут при температуре 0…5 С. Термофильные формы, имеющие важное значение при разложении органических отходов жизнедеятельности животных, - при 40…80 С. Экстремальные термофилы были найдены в горячих источниках при температуре 93,5…95,5 С. Оптимальная температура для большинства бактерий и грибов-биоразрушителей лежит в пределах 20…30 С.

Диапазон значений водородного показателя рН, в котором могут развиваться микроорганизмы, определяется их видовой принадлежностью. Грибы предпочитают слабокислые среды, бактерии – слабощелочные. Однако имеются виды, способные обитать в кислых средах с рН = 1…2. Тионовые бактерии в местах своего обитания вызывают снижение рН среды до единицы и ниже. Известны виды, например Penicillium variable, которые растут в среде с рН = 10…11.

Определенные виды микробов способны переносить большие концентрации соли в окружающей среде: 2…5 % - морские микроорганизмы, 5…20 % - умеренные галофилы (Pseudomonas, Lactobacillus и др.), 20…30 % -крайние галофилы (Halobacterium, Micrococcus и др.).

Ксерофильные грибы способны жить на сухом субстрате, поглощая влагу из воздуха (Aspergillus penicilloides и др.).

Микроорганизмы способны образовывать специальные формы, предназначенные для сохранения в неблагоприятных условиях – цисты, споры, склероции. Эти образования покрыты плотной оболочкой, защищающей клетку от высокой температуры, высушивания, радиации и др. Споры бацилл выдерживают кипячение в течение нескольких часов, десятки лет сохраняются в высушенном состоянии.

Бактерии являются основным биофактором, вызывающим повреждения материалов в анаэробным условиях, коррозию стальных сооружений, разложение нефтепродуктов.

Грибы являются гифальными микроорганизмами. Их нитчатые структуры имеют жесткую клеточную стенку, растут верхушечной частью мицелия. Высокое давление, развиваемое при росте мицелия и обеспечивающее внедрение в субстрат, имеет важное значение в механизме заселения материала, нарушении целостности его поверхности и дальнейшего разрушения.

Генетический аппарат грибов обеспечивает большие возможности для их изменчивости и появления новых форм, адаптирующихся к экстремальным условиям среды: высокой и низкой температуре, дефициту кислорода, повышенному содержанию СО₂, широким пределам рН и т.д.

Возникновение агрессивных форм микроорганизмов происходит как в результате адаптации, так и в результате перестройки генетического аппарата за счет мутаций.

Экологические группы микроорганизмов, вызывающих биоповреждения, могут быть охарактеризованы по следующим признакам: среда нахождения объекта биоповреждения (подземная, почвенная, воздушная, водная, комбинированная), механизм повреждения (механический, химический, изменение свойств субстата), видовой состав и их ассоциация с другими микроорганизмами, характер повреждаемых субстатов.

Как правило, грибы на определенных материалах образуют биоценозы, т.е. сообщества разных видов грибов или совместно с бактериями. Эти сообщества оказывают более сильное повреждающее действие, чем каждый вид в отдельности. Грибы, развиваясь в условиях естественных биоцензов, находятся в сложном взаимодействии. Различают четыре типа взаимоотношений: нейтральные, стимулирующие, антагонистические односторонние и двусторонние.

Подавление роста других видов связано со способностью грибов вырабатывать антибиотики, а также изменять состав поражаемого субстата. Воздействие грибов на материалы может быть прямым и косвенным, опосредованным через метаболиты. В случае прямого воздействия материалы используются в качестве источников углерода или других питательных веществ. В случае косвенного воздействия на объект влияют продукты метаболизма гриба – ферменты и органические кислоты, действующие на материалы как агрессивная среда. Продукты метаболизма гриба изменяют структуру материала, делая его доступным для микроорганизмов.