Почвенной коррозией называется разрушение поверхности металлического сооружения, находящегося в земле и подвергающегося воздействию окружающей почвенной среды.
Термин «почвенная коррозия» не вполне точен, так как им списывается обычно не только коррозия в собственно почве, т. е. верхнем слое коры выветривания, где идут почвообразовательные процессы, но и в подпочвенных слоях и вообще в земле, когда почва отсутствует. Поэтому было бы правильнее такую коррозию называть почвенно-грунтовой. Сохраняя же общепринятый термин, в дальнейшем изложении под почвенной коррозиен будем подразумевать более широкие ее пределы.
Современные представления о почвенной коррозии металлов основываются на электрохимической теории. По этой теории помещенная в почву или грунт металлическая конструкция вместе с окружающим ее почвенным раствором рассматривается как многоэлектродный гальванический элемент. Разрушение металла коррозией происходит вследствие действия гальванических тонов, возникающих в конструкции в силу электрохимической неоднородности ее поверхности.
Под электрохимической неоднородностью поверхности металлического сооружения понимается неравенство электродных потенциалов в различных ее точках, обусловленное неоднородностью как самого металла, так и окружающей его почвенной среды, и, в частности, почвенного раствора.
Почвенный раствор является продуктом взаимодействия почвенной влаги с составными частями почвы. Он представляет собой весьма сложную по составу, подвижную и активную часть почвы, в которой непосредственно протекают физико-химические и биохимические реакции. Взаимодействие между почвенной влагой и составными частями почвы заключается в растворении водой части минеральных и органических соединений почвы и физико-химических реакциях между образовавшимся раствором и обменными ионами почвенных коллоидов.
Из менеральных солей в почвенном растворе в тех или иных концентрациях содержатся хлориды, сульфаты, карбонаты, бикарбонаты, нитраты и другие соли кальция, магния, натрия, фосфора, калия. В почвах встречаются также соли закиси железа, алюминия и марганца. Из воднорастворимых органических соединений почва содержит органические кислоты (гуминовую, креновую, ульминовую и др.) и их соли, растворимые белки, аминокислоты и т. п. Кроме органических коллоидов в почве присутствуют золи кремнекислоты, гидроокиси железа и алюминия.
Состав и концентрация почвенного раствора чрезвычайно непостоянны и изменяются в зависимости от сезонных изменений влажности почвы. Изменение почвенного раствора по простиранию почвы связано с местными изменениями ее механического состава, влажности, воздухопроницаемости и т. п.
Именно с такой физико-химической средой всей своей поверхностью контактирует подземное металлическое сооружение.
Любой металл при погружении в раствор какой-либо соли приобретает определенный электродный потенциал. Для одного и того же металла при прочих равных условиях величина потенциала зависит от состава и концентрации солевого раствора. Если бы почвы и грунты были во всех своих точках совершенно однородными по влажности, воздухопроницаемости, составу и концентрации почвенного раствора и т. п., то распределение электродных потенциалов по поверхности подземной металлической конструкции было бы связано только с неоднородностью самого металла.
В действительности же почвы и грунты, в которые заглубляется металлическое сооружение, не являются однородными а следовательно, между отдельными участками поверхности сооружения существует разность электродных потенциалов.
Факторы, создающие разность потенциалов, чрезвычайно многообразны. Так, например, для возникновения гальванического тока между соседними участками стальной трубы достаточно даже одного из следующих факторов:
1) разницы в скоростях доступа воздуха к каждому из участков трубы;
2) различия влажностей грунта на каждом из участков:
3) различия концентраций солей и их качественного состава;
4) разницы в обработке поверхности трубы на соседних участках;
5) разницы в величинах или знаках механических напряжений и т. п.
В результате действия этих и многих других факторов на поверхности подземного металлического сооружения возникает масса больших и малых гальванических элементов. Это явление носит местный характер, если наблюдается мелкая контурность и частое переслаивание почв и грунтов разного состава,солености, воздухопроницаемости и т. п., и характер широко распространенного явления, если сооружение разными своими частями лежит в резко отличающихся друг от друга типах почв и грунтов
В соответствии с этим в линейных металлических сооружениях могут образоваться гальванические элементы самой различной длины — от микроэлементов до элементов длиной в сотни и даже тысячи метров (так называемые токи длинных линий).
Огромная роль в процессах почвенной коррозии принадлежит первичным ее продуктам, возникающим на поверхности металла под влиянием воздействия окружающей среды. Образующиеся продукты коррозии или отлагаются на поверхности металла в виде пленки, или переходят в раствор. Характер и свойства пленки, образующейся на металле, являются одним из решающих факторов, определяющих дальнейшее развитие электрохимической коррозии. Если пленка обладает известной плотностью, сплошностью и непроницаемостью для реагента, вызывающего коррозию, то она тормозит процесс коррозии или прекращает его совсем (металл пассивируется). Если же пленка проницаема и не имеет тесного контакта с металлом, а тем более если растворима в воде, то она не может служить препятствием для развития процесса коррозии.
Типы коррозионных разрушений
По характеру коррозионного разрушения поверхности металла различают коррозию сплошную (или общую) и местную.
Сплошной коррозией называется более или менее равномерное распространение коррозионного процесса с одинаковой скоростью по всей поверхности металлического сооружения.
Местной называется коррозия, охватывающая лишь некоторые участки поверхности металлического сооружения, при этом преобладающая часть поверхности почти не поддается разрушению.
Несмотря на то, что суммарная потеря прокорродировавшего металла при общей коррозии значительно больше, чем при местной, последняя является более опасной: отдельные очаги коррозии быстро развиваются вглубь стенки металлического сооружения и действуют на конструкцию подобно надрезу.
Рис. Типы коррозионных разрушений: 1—3 — сплошная коррозия; 4—9 — местная коррозия; 1 — равномерная коррозия; 2 — неравномерная коррозия; 3 — структурно-избирательная; 4 — коррозия пятнами; 5 — коррозия язвами;6 — коррозия точками; 7 — межкристаллитная коррозия; 8 — транскристаллитная коррозия; 9 — подповерхностная коррозия
Особенно опасна местная коррозия при наличии напряжений в конструкции. Так, например, образование сквозного отверстия на стенках сооружений для хранения или транспортировки жидкости приводит к аварии и потерям транспортируемого продукта; образование сквозного отверстия в свинцовой оболочке кабеля ведет к нарушению изоляции проводящей части кабеля и, следовательно, к утечкам тока и авариям.
Коррозия подземных сооружений в высококоррозионных почвах
Общая коррозия подземных сооружений достигает опасных размеров лишь в высококоррозионных почвах.
Скорость коррозионного разрушения металла характеризуется весовым или глубинным показателем. Первый выражает изменение веса образца за счет коррозии, отнесенное к единице поверхности металла и единице времени. Второй — показызает глубину коррозионного разрушения металлического образца, выраженную в линейных единицах и отнесенную к единице времени.
Пользование только одним из этих показателей зачастую не дает правильного представления об опасности коррозии для сооружения. Так, например, при развитии местной коррозии весовой показатель может быть незначительным, а сооружение может находиться в аварийном состоянии; наоборот, при равномерной коррозии общие коррозионные потери могут оказаться большими, а в то же время опасность аварии сооружения от коррозии при медленном ее развитии вглубь и достаточной толщине изделия будет меньшей. Поэтому для более полного представления о скорости и характере коррозии следует пользоваться обоими показателями.
Опасность разрушения сооружения в почве тем больше, чем менее равномерно распределена коррозия по поверхности конструкции. В случае развития местной коррозии наиболее опасными будут те из коррозионных поражений, которые имеют наименьшую площадь, так как они быстрее других развиваются вглубь стенки конструкции вследствие сосредоточения анодного растворения металла на ограниченной площади.
Характер, скорость коррозии и особенности ее распределения по поверхности сооружения определяются как свойствами самого металла, так и внешними условиями. В зависимости от комбинации внешних условий количественные показатели коррозии для одного и того же металла могут изменяться в значительных пределах.
Поэтому реальная коррозионная стойкость того или иного металла является относительной. Она не может быть выражена абсолютной мерой без всестороннего учета условий, в которых развивается процесс коррозии. Следовательно, в идеальном случае определение объема и вида защитных мероприятий должно базироваться на тщательном изучении и анализе всей совокупности внешних и внутренних факторов коррозии.