Обрастание судов и биокоррозия

Обрастание– это поселение растительных и животных организмов на искусственных и природных твердых поверхностях, в том числе на подводной поверхности судов, портовых сооружений, на внутренних поверхностях промышленных водопроводных труб, конденсаторах тепловых электростанций и т.д.

Обрастание ухудшает эксплуатационные характеристики судов (уменьшается скорость, возрастает мощность энергетической установки для сохранения первоначальной скорости), служит причиной интенсивной коррозии подводной части судна. Судовые и океанические приборы и аппаратура, подвергшиеся обрастанию, преждевременно выходят из строя или дают неверные показания.

Экономический ущерб, наносимый обрастанием, не поддается точному расчету, так как расход топлива, необходимый для до-стижения первоначальной скорости судна, резко увеличивается. Нередки случаи, когда обрастание, образовавшееся за 6 месяцев, требует увеличения мощности на 100% для поддержания скорости судна 15 уз. Помимо увеличения расхода топлива возрастает износ механизмов, работающих в повышенных режимах. Из-за этого увеличиваются продолжительность ремонта и его стоимость. Сокращается междудоковый период из-за необходимости более частого ремонта механизмов, очистки и перекраски подводной части судов.

Большой материальный ущерб от обрастания несут системы технического водоснабжения, охлаждающие системы, гидротехнические сооружения.

На процесс обрастания влияют многие факторы: географический район, время года, степень насыщенности среды обрастания, наличие в воде питательных веществ и кислорода, соленость и рН воды, температура, загрязненность морского района, освещенность участков воды, глубина погружения, ледовый режим и т.д.

В зависимости от перечисленных выше факторов масса обрастателей может достигать 50 кг/м² в год. Например, в Балтийском море за март – декабрь величина обрастания достигает 0,3 кг/м², в Каспийском море – 30 кг/м², в Атлантическом океане – 100 кг/м². Флора и фауна обрастания довольно многообразны. Первыми поселяются на подводной части судна бактерии, которые имеют достаточную силу сцепления с поверхностью. Уже на эту бактериальную пленку поселяются другие организмы: водоросли, ракообразные, моллюски, черви, губки и даже крабы, креветки, морские звезды. В морских обрастаниях встречаются такие ракообразные, как балянусы (морские желуди), морские уточки. Из моллюсков чаще всего встречаются мидии, а в пресных водах – моллюск дрейсена, который наносит огромный вред водовозам и трубопроводам ГЭС. Значительное место среди обрастателей занимают трубчатые черви, которые имеют поверх тела кожистые или известковые трубки.

Биокоррозией называется процесс разрушения металлов под воздействие различных биоорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. Биокоррозия может протекать в грунтах, почвах, в пресной и морской воде.

В грунтах и почвах коррозию чаще всего вызывают микроорганизмы. Одни из них используют металлы как питательную среду, другие выделяют продукты, разрушающие металл. Бактерии делятся на аэробные и анаэробные. Аэробные бактерии могут существовать только в присутствии кислорода, анаэробные бактерии развиваются при отсутствии кислорода. Из аэробных бактерий большое значение имеют серобактерии, которые могут окислять среду до серной кислоты. Процесс может протекать по следующим реакциям:

2H₂S + O₂ = 2H₂O + 2S

2S + 2H₂O + O₂ = 2H₂SO₄.

Серная кислота вызывает интенсивную коррозию металлов.

Наиболее распространенными анаэробными бактериями являются сульфат-восстанавливающие бактерии, находящиеся в илистых или болотных грунтах и активно использующие сульфат-содержащие соединения:

SO₄^2- + 8H⁺ = S^2- + 4H₂O.

В результате образуется коррозионно-активная среда.

Такой вид коррозии интенсивно протекает на корпусе судна под слоем плотных образований (особенно под слоем балянусов), где создается анаэробная среда.

В большинстве случаев обрастание способствует интенсивности коррозионных процессов стали, так как неравномерное распределение обрастателей на металлической поверхности приводит к неоднородности поверхности металла, к различной концентрации кислорода и, следовательно, к возникновению электро­химической коррозии. Кроме того, в результате обрастания может происходить разрушение лакокрасочных защитных покрытий (кроме противообрастающих). При этом возникает язвенная коррозия.

Методы борьбы с биокоррозией.Для защиты судов от обрастания широко используют необрастающие краски. В состав этих красок входят различные биологически активные вещества, к которым относятся яды, содержащие соединения меди, мышьяка, ртути, цинка, серебра.

В необрастающих красках используют также и органические яды: фосфорорганические, хлорорганические, металлорганические соединения и многие другие.

Используемые в необрастающих красках яды должны обладать высокой биологической активностью против обрастателей, но быть безопасными для рабочих, занимающихся окрасочными работами, и не оказывать вредного воздействия на окружающую среду.

Процесс защитного действия необрастающих красок, нанесенных на подводную часть корпуса судна или гидротехнического сооружения, состоит из следующих стадий:

· растворения (выщелачивания) ядовитых компонентов необрастающих красок и насыщение ими слоя воды, соприкасающегося с окрашенной поверхностью;

· проникновения ядов в организмы обрастателей;

· гибели или повреждения обрастателей, вызванных биохимическим действием ядов.

В настоящее время разработаны и выпускаются различные типы необрастающих красок, например: ХВ-71, ХВ-53, ХС-79 и др.

Химическая коррозия

Химическая коррозия – разрушение металлов вследствие химического взаимодействия их с окружающей средой, при котором окисление металла и восстановление окислителя протекают в одном акте. Химическая коррозия не сопровождается возникновением электрического тока, протекает в сухих газах, жидких неэлектролитах.

Газовая коррозия – наиболее распространенный вид химической коррозии, протекающей в газах при высокой температуре. Она наблюдается при работе двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, при термической обработке, горячей прокатке, ковке и т.д. Сопротивление металлов газовой коррозии оценивается их жаростойкостью и жаропрочностью.

Жаростойкость – способность металлов сопротивляться окислению при высоких температурах. Жаропрочность – способность сохранять механические свойства при нагревании.

Типичный случай газовой коррозии – взаимодействие металла с кислородом:

Ме + 1/2О₂ = МеО.

При этом на металлах образуются оксидные пленки различной толщины:

· тонкие (невидимые), толщина которых от нескольких десятых до 40 нм;

· средние (дающие цвета побежалости);

· толстые (видимые) от 500 нм.

Многие оксидные пленки обладает защитными свойствами. Чтобы оксидная пленка обладала защитными свойствами, она должна удовлетворять следующим требованиям:

· иметь хорошее сцепление (адгезию) с металлом;

· быть химически инертной по отношению к данной среде;

· обладать твердостью и износостойкостью;

· иметь коэффициент термического расширения, близкий к коэффициенту термического расширения металла;

· быть сплошной, беспористой.

Сплошные пленки образуются тогда, когда объем оксида больше объема окисляющегося металла:

Если <1, то пленки не могут быть сплошными, так как не могут покрыть всю поверхность металла. Такие пленки, например, Li₂O, K₂O, CaO, BaO, не обладают защитными свойствами. Пленки на алюминии, никеле, хроме, цинке и т.д. обладают защитными свойствами.

Рассмотрим несколько процессов газовой коррозии на примере железа.

1. Образование окалины при прокатке железа.

В зависимости от температуры на поверхности металла образуются следующие оксиды:

2Fe + O₂ = 2FeO (вюстит);

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (магнетит);

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃ (гематит).

Наиболее близкий к поверхности железа оксид FeO обладает лучшими защитными свойствами. Остальные слои (Fe₃O₄ и Fe₂O₃) имеют поры и трещины и легко отслаиваются. При использовании стали производственную окалину снимают.

2. Наряду с окислением железа при нагревании стали могут происходить и другие процессы:

Fe₃C + O₂ = 3Fe + CO₂

Fe₃C + CO₂ = 3Fe + 2CO.

В результате протекания этих процессов происходит обеднение углеродом поверхностного слоя стали, что ухудшает ее механические свойства (обезуглероживание стали).

3. В атмосфере водорода при повышенных температуре и давлении углеродистые стали становятся хрупкими. Это может быть вызвано следующими процессами:

Fe₃C + 2H₂ = 3Fe + CH₄

FeO + H₂ =Fe + H₂O_(пар).

Коррозия металлов в жидких неэлектролитах.К жидким неэлектролитам относят органические жидкости – спирты, бензол, нефть, бензин и т.д., а также расплавленную серу и жидкий бром. В чистом виде органические жидкости практически не взаимодействуют с металлами. Но в присутствии даже небольших количеств примесей (H₂S, S и другие вещества) резко ускоряются процессы взаимодействия, особенно при повышенных температурах. Так, содержащийся в нефти сероводород взаимодействует с медью, свинцом, серебром и т.д.:

4Ag + 2H₂S + O₂ = 2Ag₂S + 2H₂O.

Сера в расплавленном состоянии реагирует практически со всеми металлами:

Fe + S = FeS.

Защита металлов от химической коррозии. Для защиты металлических конструкций, работающих в жидких неэлектролитах, подбирают устойчивые в данной среде сплавы или наносят защитные покрытия. Защита от газовой коррозии осуществляется следующими методами:

· нанесением защитных покрытий;

· легированием, т.е. введением в состав сплава компонентов, повышающих жаростойкость;

· применением защитных сред, т.е. искусственно создаваемых газовых сред.

Для защиты металлов, работающих в специфических условиях, на их поверхность наносят жаростойкие эмали, покрытия из тугоплавких соединений – карбидов, нитридов, боридов, силицидов, металлокерамики. Используются и временные, легко снимающиеся покрытия и обмазки. Широко применяются металлические покрытия (алюминий, хром), которые наносят различными методами.

Для жаростойкого легирования используются хром, никель, алюминий, кремний, кобальт. Чаще всего защитное действие добавок обусловлено образованием на поверхности металла двойного оксида – шпинели, обладающего повышенными защитными свойствами.

При окислении легированных сталей образуются шпинели состава: FeO·Cr₂O₃, FeO·Al₂O₃, Fe₂O₃·NiO, NiO·Cr₂O₃.

В качестве защитных атмосфер, в которых сталь не окисляется, не обезуглероживается, используют азот, водород, углекислый газ и их смеси. Для титана и алюминия используют гелий и аргон. Для некоторых металлов используют топочные газы, содержащие N₂ – CO₂ – H₂ – H₂O.

Оглавление

1. Классификация коррозионных процессов........................... 3

2. Электрохимическая коррозия.............................................. 6

3. Теории коррозии................................................................... 8

4. Факторы, влияющие на скорость коррозии металлов...... 13

5. Контактная коррозия металлов.......................................... 19

6. Агрессивность коррозионных сред................................... 23

7. Обрастание судов и биокоррозия...................................... 26

8. Химическая коррозия......................................................... 29

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный
морской технический университет»

Кафедра химии

Коррозия металлов и судовых
конструкций

Методические указания
к лабораторным работам

Санкт-Петербург

2005