Металл водогрейных котлов подвергается кислородной, углекислотной, подшламовой и щелевой коррозии. Известно, что повышение температуры способствует развитию коррозионных процессов, протекающих как с поглощением кислорода (кислородная коррозия), так и с выделением водорода (углекислотная коррозия).
Причинами язвенной коррозии труб водогрейных котлов и другого оборудования являются некачественная деаэрация подпиточной воды, низкое значение рН, обусловленное присутствием агрессивной углекислоты и накопление продуктов кислородной коррозии на теплопередающих поверхностях.
Особый вид подшламовой коррозии протекает в условиях незначительного содержания кислорода, при этом рыхлые продукты коррозии, состоящие в основном из гидратированных трехвалентных окислов железа, являются активными деполяризаторами катодного процесса. Важную роль в возникновении подшламовой коррозии играет процесс ржавления труб водогрейных котлов при их простоях, когда не принято должных мер для предупреждения стояночной коррозии. Очаги коррозии, возникающие под действием атмосферного воздуха на влажные поверхности, продолжают функционировать при работе котлов.
Особенностью щелевой коррозии, т.е. избирательного, интенсивного коррозионного разрушения металла в узких зазорах, является замедленный отвод продуктов коррозионной реакции. В результате накопления последних и их гидролиза возможно снижение рН раствора в зазоре с последующим появлением сквозных отверстий (свищей).
Предупреждение коррозии водогрейных котлов достигают с помощью противокоррозионной обработки воды и защиты оборудования от коррозии. К противокоррозионной обработке относятся термическая деаэрация (вакуумная и при атмосферном давлении), силикатная обработка или подщелачивание с помощью едкого натра. Защита оборудования от коррозии осуществляется с помощью применения коррозионно-стойких материалов и защитных покрытий. Защита водогрейных котлов во время простоя в ремонте или в резерве в летний период осуществляется с помощью консервации.
Для выявления причин коррозии водогрейного оборудования большое значение имеет систематический контроль коррозионной активности воды с помощью индикаторов коррозии. Контрольные вырезки труб из водогрейных котлов во время капитальных ремонтов позволяют судить о правильности водно-химического режима тепловых сетей. В водогрейном котле наиболее часто повреждения возникают в экранных трубах и в трубах нижнего конвективного пакета (в первом по ходу дымовых газов ряду).
Коррозионная активность воды независимо от источника водоснабжения (поверхностного или подземного) характеризуется тремя основными показателями: индексом равновесного насыщения воды карбонатом кальция J, содержанием растворенного кислорода и суммарной концентрацией хлоридов и сульфатов.
При отсутствии условий образования защитных карбонатных пленок на металле (J 3 , являются коррозионно-активными. Хлориды и сульфаты усиливают коррозию металла под действием кислорода.
Исходя из принятой в теплоэнергетике шкалы коррозии и данных по скорости коррозии стальных труб в нагретой воде, разработана условная классификация водопроводных вод по коррозионной активности, указанная в таблице 6. Таблица 6
| J при t ≥ 60˚ | , мг/дм 3 | , мг/дм 3 | Коррозионная характеристика нагретой воды | ||
| J ≤ — 1,0 | любая | любая | сильно коррозионная | ||
| — 1,0 50 | сильно коррозионная | ||||
| — 1,0 0 | любая | > 50 | коррозионная | ||
| J > 0 | > 5 | ≤ 50 | слабо коррозионная | ||
| J > 0 | стальные трубы | оцинкованные трубы | пластмассовые или трубы с внутренним покрытием | ||
| Противокоррозионная | J ≤ -1,0 -1,0 0 J > 0 | Любая > 50 ≤ 50 ≤ 50 > 50 ≤ 50 | + + + + + — | + + + — + — | — — — — — — |
| Противонакипная | 0 0,5 | ≤ 50 ≤ 50 ≤ 50 | — + + | — + + | — + + |
| Противокоррозионная и противонакипная | 0,1 0,5 | > 50 > 50 | + + | + + | _ _ |
Дата добавления: 2015-07-02 ; Просмотров: 2548 ; Нарушение авторских прав? ;
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
источник
Секция: Строительство и архитектура
II Международная заочная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Определение коррозионной активности стальных элементов очистных сооружений сточных вод
Determination of corrosion activity of the steel elements of the treatment facilities of sewage
Denis Butko
candidate of engineering sciences, associate professor, dean of the Faculty of civil engineering, Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don
Elena Vilson
candidate of engineering sciences, associate professor, managing chair «Water supply and water removal», Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don
Nikolai Serpokrilov
doctor of technical science, professor, professor of the Department of water supply and water removal, Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don
Elena Yakovleva
assistant, Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don
Аннотация. Разрушения металлических конструкций сооружений очистки сточных вод вследствие коррозии влияют на параметры технологического процесса и безопасность обслуживания. На примере станции аэрации г. Ростова-на-Дону проведен анализ факторов, вызывающих коррозию металлических элементов, рассмотрены механизмы возникновения коррозионных процессов и влияние технологических воздействий, происходящих при очистке сточных вод. Проведены исследования образцов наиболее часто применяющих марок сталей по этапам очистки.
Abstract. Corrosion damages of metal structures of wastewater treatment facilities affect the work process parameters and operation safety. The analysis of the factors causing corrosion of metal elements and the assessment of corrosion resistance of the steel grades St08ps, St3sp and St5sp during the treatment stages were conducted based on the data obtained from the Rostov-on-Don aeration plant. The article search techniques to determine the corrosiveness of water towards the metal structures.
Ключевые слова: сточные воды; очистка; коррозия; строительство; сооружения; гражданское строительство.
Keywords: wastewater; treatment; corrosion; construction; buildings; civil engineering.
Коррозионные повреждения металлических конструкций на сегодняшний день представляют одну из значительных экономических проблем производственных предприятий по очистке сточных вод.
Для оценки состояния металлических конструкций в сооружениях очистки сточных вод станции аэрации г. Ростова-на-Дону первоначально был произведен визуальный контроль, который позволил определить следующее.
— Решетки. Все конструкции, выполненные из черного металла, защищены от коррозии цинковым покрытием и окрашены эмалью и лаком, несмотря на это очаги коррозионных разрушений обнаружены на металлических конструкциях: граблины, все крепления и закладные детали.
— Песколовки. В песколовках коррозионным разрушениям подверглись гидроэлеватор, скребковый механизм и тросы, распределительный канал шибера. В наибольшей степени подвержены коррозии болтовые соединения и закладные детали вследствие разного химического состава соприкасающихся элементов.
— Преаэратор. Основным очагом коррозии в преаэраторе является запорная арматура.
— Первичный отстойник. Все металлические конструкции защищены от коррозии, однако, сплошность покрытий металла со временем нарушилась, и наблюдаются прогрессирующие коррозионные процессы.
— Аэротенк. Среда в аэротенке является достаточно агрессивной для металла, о чем свидетельствуют данные работ [2, 6-8]. Из нержавеющей стали выполнены: лоток подачи осветленной сточной воды, шибера, опускные стояки, лоток возвратного активного ила, струенаправляющие перегородки — на них очаги коррозии не отмечены.
— Вторичные отстойники. Наблюдаются коррозионные процессы, которым подвержены каркасы кассет тонкослойных модулей, закладные детали. Крепления зубчатого перелива к сборному лотку, обработанные покрытием из цинка с хромированием толщиной 30 мкм, разрушаются вследствие коррозионных процессов.
— Биореакторы. В биореакторах размещены кассеты с загрузкой из «ершей», каркас кассет выполнен из нержавеющей стали, а основание «ершей» выполнено из стальной проволоки, которая корродирует и разрушается, в результате чего ершовая загрузка обрывается.
Для наших исследований были выбраны образцы, выполненные из стали Ст5сп (ГОСТ 380-2005) и Ст08пс (ГОСТ 1050-88). Химический состав в % стали Ст08пс: Fe
98; C – 0,05-0,11; Si – 0,05-0,17; Mn – 0,35-0,65; Ni до 0,25; S до 0,04; P до 0,035; Cr до 0,1; Cu до 0,25; As до 0,08. Характеристика стали Ст08пс (ГОСТ 1050-88) – сталь конструкционная углеродистая качественная для изготовления деталей, к которым предъявляются требования высокой пластичности: шайбы, патрубки, прокладки и другие неответственные детали, работающие в интервале температур от -40 до 450 °С, плотность составляет 7846 кг/м3. Химический состав в % стали Ст5сп: Fe
98; C – 0,28-0,37; Si – 0,15-0,3; Mn – 0,5-0,8; S до 0,05; P до 0,04. Характеристика стали Ст5сп – сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества, использующаяся для изготовления деталей клепаных конструкций, болтов, гаек, ручек, втулок, ходовых валиков, стержней, трубных решеток, фланцев и других деталей, работающих при температуре 0-425 о С, плотность составляет 7850 кг/м 3 [10].
Образцы помещали в песколовки, преаэратор, первичный отстойник, аэротенк, вторичный отстойник, биореактор и контактный резервуар. Подготовку образцов и исследования выполняли в соответствие с методикой, представленной [1]. Данные исследований представлены в табл. 1, в которой приняты следующие обозначения: S – площадь поверхности образца; ΔР – разница веса образца до и после испытаний; К – скорость коррозии образца.
Исследования по скорости коррозии в сооружениях очистки сточных вод с экспозицией 30 сут (в таблице представлены среднеарифметические данные из трех параллельных наблюдений для ΔР, г и К, мг Fe/см 2 сут)
Образец из стали марки Ст5сп
Образец из стали марки Ст08пс
ΔР, г
К, мг Fe/см 2 сут
ΔР, г
источник
Исследование влияния природной пластовой воды на коррозию стальных труб, применяемых при строительстве и эксплуатации нефтедобывающих скважин (на примере Юрубчено-Тохомского месторождения)
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 19.04.2017 2017-04-19
Статья просмотрена: 625 раз
Лазуткин Е. А. Исследование влияния природной пластовой воды на коррозию стальных труб, применяемых при строительстве и эксплуатации нефтедобывающих скважин (на примере Юрубчено-Тохомского месторождения) // Молодой ученый. 2017. №16. С. 184-187. URL https://moluch.ru/archive/150/42414/ (дата обращения: 21.10.2019).
Ключевые слова:солеобразование, отложение солей, коррозия, факторы коррозии, влияние природной пластовой воды
Проблема коррозии металлических труб остро стоит в области бурения и эксплуатации нефтедобывающих скважин. Технический прогресс тормозится из-за ряда нерешенных проблем с коррозией. В результате коррозии ежегодно теряются десятки миллионов тонн металлов, приходит в негодность огромное количество аппаратуры, оборудования, приборов, инструментов.
Широко применяемые в настоящее время методы разработки нефтяных месторождений с поддержанием пластового давления могут приводить к осложнениям в добыче нефти, которые связаны с отложением твердых осадков неорганических солей, накапливающихся на стенках труб.
Важнейшей задачей в нефтяной промышленности является повышение эффективности добычи нефти. Одно из существенных направлений в решении этой проблемы — решение задачборьбы с отложениями неорганических солей при эксплуатации скважин. Образование отложений солей приводит к снижению продуктивности скважин, преждевременному выходу из строя глубинного насосного оборудования, внеплановым текущим и дорогостоящим капитальным ремонтам скважин и, как следствие, значительному ухудшениютехнико-экономических показателей нефтегазодобывающих предприятий.
Самыми распространенными факторами, влияющими на техническое состояние и срок службы стальных труб, являются коррозионно-агрессивное влияние скважинной среды и циклические нагрузки, которые испытывают трубы в процессе эксплуатации.
Химический состав пластовых вод нефтяных и газовых месторождений разнороден и классифицируется по характерным признакам. Состав и свойства пластовых вод в процессе разработки месторождений изменяются и зависят от снижения давления и температуры, а также от контакта с другими пластовыми водами, что приводит к дегазации и нарушению ионного обмена.
Природная пластовая вода содержит в себе множество различных солей и их соединений. Эти соли могут оседать на стенках труб, иными словами — солеобразование представляет собой отложения, закупоривающие перфорационные каналы, обсадные и эксплуатационные колонные НКТ, клапаны, засоряя, таким образом скважину и препятствуя потоку жидкости. [1]
К основным причинам отложения солей можно отнести следующие факторы:
‒ изменение химического состава воды, при смешивании вод различных типов.
‒ Плотные, с выпадением кристаллов среднего размера (15–18 мм)
‒ Плотные крупнокристаллические (до 25 мм)
Максютин А.В [2] называет следующие причины отложения солей:
Скорость и объем выпадения солей зависит от ряда факторов:
‒ первоначальной солевой насыщенности пластовой воды;
‒ типа ионов в пластовой воде;
‒ режимов эксплуатации добывающих скважин и способов добычи скважинных флюидов;
‒ совместимости пластовых вод различных продуктивных пластов;
Рис. 1. Солеобразование в эксплуатационной колонне
Солевой осадок в эксплуатационных колоннах НКТ может встречаться в виде толстого слоя, плотно прилегающего к их внутренней поверхности. Зачастую он имеет толщину в несколько сантиметров и имеет кристаллы диаметром до 1 см и более. Первичный эффект роста солевых отложений заключается в том. что скорость добычи снижается за счет увеличения неровности поверхности труб, при этом в них снижается диаметр протока. Солеотложение крайне негативно влияет на безопасность эксплуатации стальных труб.
Так же эти соли могут привести к различного вида коррозии.
Коррозию различаю по прямым и косвенным показателям.
‒ убыль или увеличение массы, отнесенные к единице поверхности;
‒ доля поверхности, занятая продуктами коррозии;
‒ количество коррозионных язв или точек, на единице поверхности;
‒ объем выделившегося с единицы поверхности водорода или поглощенного кислорода;
‒ время до появления первого очага коррозии;
‒ время до появления коррозионной трещины или до полного разрушения образца;
Косвенные показатели. После определенного времени коррозионных испытаний степень коррозионного разрушения можно определить по изменению:
По скорости протеканию коррозию можно разделить на 3 типа:
1) Мало подвержены разрушению (до 0.1мм / год)
2) Среднекоррозионные (до 0.5 мм / год)
3) Агрессивные (более 0.5 мм / год)
Факторы влияющие на скорость коррозии можно разделить на две группы:
Внутренние факторы. К внутренним факторам, влияющим на скорость коррозии, относятся химический состав, структура, внутренние напряжения и состояние поверхностии металла. Чистые металлы при прочих равных условиях менее подвержены коррозии, чем сплавы.
Менее других подвержены коррозии сплавы, имеющие структуру твердого раствора.
Внутренние напряжения материала способствуют коррозии его наклепанный материал разъедается больше, чем материал с нормальной структурой. Наличие внутренних напряжений и наклеп способствуют образованию гальванопар.
Чем ровнее поверхность металла, тем меньше он корродирует. При повреждении поверхности металл начинает корродировать быстрее. Причиной этого является то обстоятельство, что гладкая поверхность лучше покрывается защитной пленкой.
Внешние факторы. К внешним факторам, влияющим на скорость коррозии, относятся действие на металла окружающей среды: воды, кислот, щелочей, солей и газов, а также температура окружающей среды. [4]
Целью настоящей работы является исследование влияния природной пластовой воды на коррозию стальных труб, применяемых при строительстве и эксплуатации нефтедобывающих скважин (на примере Юрубчено-Тохомского месторождения).
В работе решаются следующие задачи:
- Анализ влияния природной пластовой воды на протекание коррозии. Факторы, влияющие на коррозию стали.
- Исследование влияния природной пластовой воды, на коррозию стальных труб.
- Результаты испытания сталей.
Юрубчено-Тохомское крупное нефтегазоконденсатное месторождение в России. Расположено в Красноярском крае, в 280 км к юго-западу от п. Тура. Открыто в 1982 году. Освоение началось в 2009 году.
По системе геологического нефтегазового районирования Юрубчено-Тохомское месторождение расположено в пределах Байкитской нефтегазоносной области в составе Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции. В тектоническом отношении местрождение приурочено к центральной части Камовскоого свода Байкитской антеклизы. Нефтегазоносность связана с карбонатными и терригенными (песчаники) отложениями вендского и рифейского возрастов. Извлекаемые запасы Юрубчено-Тохомского месторождения составляют по категории С1–64,5 млн тонн нефти, С2–172,9 млн тонн, газа (С1+С2) — 387,3 млрд кубометров. Плотность нефти составляет 0,850 г/см3 или 34° API. Содержание серы составляет 0,2 %. Содержание парафина составляет 1 %. [5]
С данного месторождения была взята природная пластовая вода(СКВ № 76 Юрубченская пл., 2500–2504м) и проанализирована в лаборатории. В результате был составлен отчет, в котором был указан подробный состав солей и другая информация.
Отчет осоставе пластовой воды
Метод анализа
Чувст-ть метода, мг/дм 3
Концентрация, мг/дм 3
источник
Умягчение воды – причина внутренней коррозии.
Причин внутренней коррозии труб может быть несколько. Причём все они могут действовать одновременно, совместно ускоряя коррозионное разрушение труб. Особенностью внутренней коррозии являются множественные разрушения трубы. Сначала в трубе появляются одиночные свищи, а вскоре вся труба превращается в «решето». Трубу приходится менять в срочном порядке.
Как правило, причиной активной коррозии могут стать блуждающие токи. Ведь коррозия это электрохимическая реакция. Этот термин подразумевает образование гальванических пар и движение электрических зарядов через металл трубы. Для защиты от подобного воздействия применяют анодную защиту. Её целью является изменение направления токов. Например, на так называемый жертвенный анод, или жертвенный электрод, – специальное металлическое изделие, которое разрушается вместо защищаемого объекта – трубы.
Слева: трубы котла с накипью. Справа: без накипи и коррозии, результат работы ФПНУ.
Причиной кислородной коррозия является наличие свободного кислорода в воде. Этот вид коррозии часто встречается, если источник воды это открытий водоём (река, пруд). Кислородная коррозия может быть очень агрессивной. На одном объекте, за полгода, внутри трубы ГВС появилось множество круглых «ямок» глубиной около 1 мм.
Причиной возникновения микробиологической коррозии являются микроорганизмы. Причём есть такие бактерии, которые буквально питаются металлом, а есть и более «безобидные», они разрушают поверхность металла своими продуктами жизнедеятельности. По некоторым данным, микробиологическая коррозия ускоряет процесс разрушения труб в 4-5 раз.
Эти виды коррозии общеизвестны. О них написано немало статей. Но есть ещё один вид коррозии. Причиной его возникновения является применение ионообменного фильтра (солевого умягчителя воды).
После установки ионообменного фильтра (солевого умягчителя воды), водный раствор минеральных солей становится коррозионно-активным. Как это происходит?
Давайте обратимся к индексу Ланжелье (или индексу Ризнера), который характеризует степень термостабильности водного раствора на основе степени насыщения раствора карбонатом кальция.
Сводная таблица значений индекса Ланжелье и индекса стабильности Ризнера:
| Индекс Ланжелье | Индекс Ризнера | Характеристика раствора |
| 3 | 3 | Чрезвычайно высокое накипеобразование |
| 2 | 4 | Очень высокое накипеобразование |
| 1 | 5 | Серьезное накипеобразование |
| 0,5 | 5,5 | Тенденция к накипеобразованию |
| 0,2 | 5,8 | Легкое накипеобразование |
| 6 | Стабильный раствор | |
| -0,2 | 6,5 | Очень легкая степень коррозии |
| -0,5 | 7 | Легкая степень коррозии |
| -2 | 9 | Очень высокая коррозия |
| -3 | 10 | Чрезвычайно высокая коррозия |
Как видим, с точки зрения термостабильности раствора, образование накипи и коррозия это две противоположности. Сдвигая с помощью солевого умягчителя индекс в сторону уменьшения накипеобразования, мы одновременно усиливаем тенденцию к внутренней коррозии. Конечно же, цель работ Ланжелье и Ризнера – определить точку равновесия, когда водный раствор стабилен. Однако на практике, для этого необходимо периодически делать анализы воды, проводить расчёт и корректировать параметры водоподготовки. Далеко не все это делают. А многие вообще подбирают солевой умягчитель «с запасом», чтобы «хорошо умягчить воду».
С таким подходом заказчик неминуемо сталкивается с внутренней коррозией. И ему подсказывают – примените реагенты – ингибиторы коррозии. Которые ещё дороже, чем солевой умягчитель. Но т.к. замена труб это дорогостоящее мероприятие, заказчик, как правило, соглашается. И платит.
Не правда ли, знакомый подход? Есть проблема – вот проверенное решение. Только потом придётся заплатить ещё и устранение проблемы первого решения.
Слева: накипь в теплообменнике. Справа: чистые трубы, без коррозии (с ФПНУ).
С появлением противонакипных устройств ферритного типа – ФПНУ, появилась возможность подавлять внутреннюю коррозию без применения хим.реагентов. При работе ФПНУ водный раствор остаётся склонным к накипеобразованию, и, соответственно, обладает низкой коррозионной активностью.
Плюс ФПНУ пассивируют внутреннюю поверхность труб, притягивая свободные электроны к внешней поверхности трубы, обедняя электронами область контакта металла трубы с водой. Этот эффект дополнительно способствует замедлению внутренней коррозии.
А что с накипью? При работе ФПНУ она образуется, в виде мельчайших устойчивых кристалликов, вдали от стенок трубы. Ток воды выносит их из системы.
Надеюсь и вам это решение показалось простым и логичным.
ФПНУ выпускаются уже более 15 лет. Они просты в применении, надёжны. Работают в автоматическом режиме. Подавляют и накипь и коррозию. Не требуют расходных материалов. Питаются от электросети. Потребляемая мощность минимальна.
Градирня. Оборотная вода с хим.реагентами. Видна грязная пена, био-обрастания и коррозия на металле.
Вода чистая и прозрачная. Участки, ранее поражённые коррозией, покрыты защитной плёнкой магнетита. Био-обрастаний нет.
Комментарий совладельца компании: «с химикатами мои градирни никогда не были такими чистыми».
При выборе системы водоподготовки для вашего объекта, запросите стоимость решения с ФПНУ, сравните плюсы и минусы.
источник
Анализ причин коррозии оцинкованных труб в системах горячего водоснабжения
В. А. Чухин, к.т.н., доцент, учебный мастер; А. П. Андрианов, к.т.н., доцент, доцент кафедры водоснабжения и водоотведения, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
Коррозия стальных труб представляет серьёзную проблему при эксплуатации систем горячего водоснабжения. На основании изучения структуры и элементного состава цинкового покрытия на новых и бывших в употреблении стальных оцинкованных трубах сделано предположение, что одной из причин быстрой коррозии может быть неравномерность распределения цинкового покрытия по внутренней поверхности трубы. Предложен способ идентификации коррозии, основанный на использовании тестовых образов стальной трубы и определении в составе образующегося осадка характерных продуктов коррозии.
Ключевые слова: водоснабжение, горячее водоснабжение, идентификация коррозии, коррозия, оцинкованные стальные трубы, цинковое покрытие.
An analysis of the causes of corrosion of galvanized pipes in hot water supply systems
V. A. Chukhin, PhD, Associate Professor, training master of the Department of Water supply and sewerage; A. P. Andrianov, PhD, Associate Professor of the Department of Water supply and sewerage, Moscow State University of Civil Engineering (NRU MGSU) National Research University
Corrosion of steel pipes is a serious problem in the operation of hot water supply systems. Based on the study of the structure and elemental composition of the zinc coating on new and used steel galvanized pipes, it is assumed that one of the reasons for the rapid corrosion may be the uneven distribution of the zinc coating along the inner surface of the pipe. A method for identifying corrosion is proposed, based on the use of test samples of a steel pipe and the determination the characteristic corrosion products in the resulting precipitate.
Keywords: corrosion, galvanized steel pipes, hot water supply, identifi cation of corrosion, zinc coating, water supply.
Коррозия стальных труб представляет серьёзную проблему при эксплуатации систем горячего водоснабжения. На основании изучения структуры и элементного состава цинкового покрытия на новых и бывших в употреблении стальных оцинкованных трубах сделано предположение, что одной из причин быстрой коррозии может быть неравномерность распределения цинкового покрытия по внутренней поверхности трубы. Предложен способ идентификации коррозии, основанный на использовании тестовых образов стальной трубы и определении в составе образующегося осадка характерных продуктов коррозии.
Высокая скорость коррозии стальных водопроводных труб приводит к тому, что проектные и строительные организации для внутренних систем водоснабжения применяют трубы из пластмасс, меди, нержавеющей стали. Однако, исходя из противопожарных и экономических соображений, часто используют схемы, в которых магистральные трубопроводы выполняют из стальных оцинкованных труб, а стояки и подводки к приборам — из полипропиленовых или металлопластиковых труб. Однако проблема коррозии не стала менее актуальной, и количество обращений на жалобы населения на качество воды не снижается. Особенно это касается систем горячего водоснабжения.
Примеры быстрой коррозии труб в системе горячего водоснабжения можно найти как в специальной технической литературе, так и в Интернете, что свидетельствует о недостаточном исследовании данной проблемы. Так, например, на интернет-форуме НП «АВОК» сообщается о двух случаях сквозной коррозии стальных оцинкованных стояков и подающих магистралей в системе горячего водоснабжения в жилых многоэтажных зданиях, начавшейся через один-два года после ввода их в эксплуатацию. Авторами также зафиксированы случаи быстрой коррозии трубопроводов горячего водоснабжения, обусловленные повышенной коррозионной активностью опреснённой воды (корпуса учебного заведения, город Владивосток) и наличием токов утечки (жилые здания, город Москва).
В статье [1] приведены результаты обследования систем отопления и горячего водоснабжения на объектах различного назначения в Москве. По утверждению авторов статьи, одной из причин ускоренной коррозии трубопроводов в зданиях являются протекающие по ним токи промышленной частоты, связанные с нарушениями эксплуатации систем электроснабжения этих же зданий. Коррозия наблюдается несмотря на соблюдение основных требований к составу воды. В ходе проведённых измерений было зафиксировано, что по трубопроводам протекают переменные токи промышленной частоты силой от 0,1 до 18,2 А [1]. Такие явления возникают при использовании металлических трубопроводов для заземления электроприборов или при подключении нулевого проводника к корпусу оборудования, гальванически соединённого с трубопроводом.
Среди причин, вызывающих высокую скорость коррозии оцинкованных труб в системах горячего водоснабжения, помимо качества исходной воды и утечек тока, можно назвать следующие факторы: воздействие повышенной температуры (более 60 °C), монтаж одной и той же системы водоснабжения из различных труб, в том числе медных, сварка оцинкованных труб без соблюдения требований стандарта, наличие микробиологической коррозии, низкие скорости движения воды.
В результате наблюдения за работой систем водоснабжения, смонтированных из труб, выполненных из различных материалов, были сделаны выводы, что следует избегать расположения трубопроводов из стали (за исключением нержавеющей), алюминия или цинка после медных (по направлению движения потока воды) во избежание преждевременной коррозии указанных труб. При осаждении на поверхности цинка металлической меди образуется короткозамкнутый элемент, в котором цинк является анодом, а медь — катодом. Поскольку медь находится в контакте с цинком и оба эти металла окружены водой, гальванический элемент оказывается «включённым». Цинк в виде иона Zn 2+ переходит в воду, а оставшиеся от каждого атома два электрона переходят на более электроположительный металл — медь. К медному катоду подходят ионы водорода, принимают электроны и превращаются в атомы водорода, а затем и в молекулы водорода. Таким образом, при наличии деполяризатора процесс протекает до тех пор, пока не растворится весь цинк.
Примеры аномально высокой скорости коррозии оцинкованных труб можно найти и в зарубежной литературе. Так, в системе ГВС в городе Гданьск-Вжещ (Польша) цинковое покрытие было полностью уничтожено в течение трёх-четырёх лет [2]. В качестве причины были названы высокий уровень кислорода и агрессивной углекислоты в воде, а также содержание хлорид и сульфат-ионов в общей сумме более 50 мг/дм³. Температура горячей воды и особенно перепады температуры также имеют большое значение, так как они являются источником трещин и разрушения созданных слоёв продуктов коррозии, обладающих защитными свойствами. Поддержание постоянной температуры воды ниже 55 °C при рН = 7,4–7,8 является, по мнению авторов статьи, одним из эффективных способов снижения скорости коррозии [2].
В целом, в зарубежной литературе очень мало информации о коррозии стальных труб в системе горячего водоснабжения, так как большинство внутренних систем водоснабжения изготавливается из меди или пластика.
Следует отметить, что в литературе, посвящённой коррозии оцинкованных труб и оценке влияния различных факторов, наименьшее внимание уделяется исследованию качества цинкового покрытия, которое в первую очередь подвергается воздействию неблагоприятных факторов. Известно, что металлические трубы, используемые для систем распределения воды, корродируют из-за их термодинамической неустойчивости. Чтобы избежать коррозии, стальные трубы покрывают защитным слоем цинка с толщиной покрытия от 20 до 85 мкм в зависимости от требований нормативной документации [3].
В России производство стальных труб нормируется общепринятыми стандартами, относящимися к водогазопроводным (ГОСТ 3262–75*) и электросварным прямошовным (ГОСТ 10704) трубам, на которые и наносится цинковое покрытие. Требования к водогазопроводным оцинкованным трубам по ГОСТ 3262–75* формулируются так: покрытие водопроводных оцинкованных труб должно быть сплошным, а толщина цинкового слоя должна быть не менее 30 мкм. Покрытие на оцинкованные стальные трубы наносится по различным технологиям, выбор которых зависит от габаритов изделий, предъявляемых требований к качеству и прочности слоя цинка [4]: электрогальваническое цинкование, горячее цинкование и термодиффузионное осаждение.
Электрогальваническое цинкование. Способ основан на растворении цинковых электродов в растворе электролита под действием электрического тока. В процессе электролиза цинк осаждается на поверхности трубы. Преимущества: ровное покрытие, толщина слоя достигает 30 мкм. Недостатки данного метода: слабая адгезия, пористость покрытия определяет незначительный срок эксплуатации (до пяти лет).
Горячее цинкование. Данный способ позволяет получить наиболее надёжное покрытие, в промышленных масштабах применяется достаточно часто. Для нанесения покрытия заготовку помещают на определённое время в расплав цинка. Недостатки: на поверхности труб могут образовываться наплывы, поэтому будет требоваться повторная механическая обработка. Существует ограничение по марке стали, к которой может применяться такой способ — содержание углерода не более 0,24 %. Как показывает опыт, горячеоцинкованная сталь может служить до 50 лет без видимых коррозионных повреждений и возобновления цинкового покрытия.
Термодиффузионное покрытие цинком. Стальная оцинкованная труба получается путём нанесения на поверхность заготовки паров цинка, весь процесс осуществляется в герметичных ёмкостях, что обеспечивает высокую экобезопасность процесса. Преимущества: значительная твёрдость покрытия, отсутствие наплывов, возможность обрабатывать детали сложной конфигурации (резьбы), срок эксплуатации труб превышает 15 лет. Цинковое покрытие защищает сталь от коррозии, во-первых, за счёт создания барьера, который отделяет сталь от агрессивной среды, и, во-вторых, цинковое покрытие является анодом по отношению к железу, обеспечивая электрохимическую защиту. При выборе антикоррозионной защиты основное внимание уделяется скорости разрушения покрытия и необходимости его возобновления. Этот показатель для цинка составляет 0,5–6,0 мкм/год в зависимости от условий эксплуатации.
Микроструктура покрытия значительно отличается в зависимости от метода его нанесения [5]. На рис. 1 показана микроструктура цинкового покрытия, полученного методом горячего цинкования [15]. По литературным данным оптимальная структура цинкового покрытия включает четыре слоя: «гамма» (γ), «дельта» (δ), «дзета» (ζ) и «эта» (η), имеющих различную толщину и выполняющих различные функции [3]. Чтобы быть эффективным, наружный η-слой должен составлять как минимум 45 % толщины всего покрытия [3].
Для каждого слоя на рис. 1 указана твёрдость в единицах Виккерса. Можно видеть, что все три интерметаллических слоя твёрже, чем стальная основа, тогда как наружный слой «эта» имеет низкую твёрдость и высокую пластичность. Такое сочетание свойств цинкового покрытия обеспечивает ему высокую стойкость к износу. Железо, как это следует из рис. 1, в большем или меньшем количестве всегда присутствует в расплаве цинка. Оно попадает в расплав главным образом в процессе цинкования вследствие взаимодействия между расплавленным цинком и железной поверхностью изделий и корпуса ванны. С увеличением содержания железа в расплаве значительно увеличивается толщина покрытия, а также ухудшаются его пластичность и внешний вид. При этом в верхнем слое цинкового покрытия (ζ-фаза) содержится большое количество включений.
Кроме того, известно, что кремний, марганец и фосфор значительно повышают скорость взаимодействия между сталью и расплавленным цинком, в результате чего усиливается рост слоя сплава в покрытии. При высоком содержании кремния и фосфора покрытие в основном состоит из железоцинковых соединений, представляющих собой столбчатые δ1и ζ-кристаллы. Особенно сильно развита ζ-фаза. Слой чистого цинка (η-фаза) в таких покрытиях очень тонкий, а иногда даже полностью отсутствует. При этом поверхность покрытия приобретает светло-серый цвет.
Минимальная толщина цинкового покрытия по европейскому стандарту EN 10240 составляет 55 мкм на внутренней стороне оцинкованной стальной трубы (то есть на 25 мкм больше, чем по российскому стандарту) и 28 мкм на сварке. Замеры толщины оцинкованного покрытия на участке трубы длиной 10 см показали, что стандарт в большинстве случаев не соблюдается (табл. 1): средняя толщина составила 41,5 ± 8,6 мкм [3].
Фотографии, приведённые на рис. 2, показывают, что даже при соблюдении минимальной толщины 55 мкм микроструктура оцинкованного покрытия может быть неравномерной, с наружным защитным слоем чистого цинка «эта» (η), слишком тонким, чтобы обеспечить эффективную защиту стальной подложки от коррозии. В том случае, когда покрытие имеет толщину менее 20 мкм (рис. 2б), его структура состоит примерно из 50 % «дельта» (δ)-слоя и 50 % «дзета» (ζ)-слоя, а наружный защитный слой чистого цинка «эта» (η) отсутствует. В некоторых случаях неоднородность оцинкованного покрытия вызвана слишком тонким слоем чистого цинка «эта» (η), при этом «дзета» (ζ)-слой достигает поверхности покрытия при недостатке «дельта» (δ)-слоя в некоторых местах, что затрудняет защиту стальной подложки от коррозии (рис. 2в).
При этом те покрытия, в которых «дзета»-фаза отсутствует или слишком толстая и представлена столбчатой структурой, не защищают сталь от общей коррозии [3].
Материалы и методы
Для уточнения причин ускоренной коррозии в системе горячего водоснабжения жилого 17-этажного дома в Москве экспертами в лабораторию кафедры водоснабжения и водоотведения НИУ МГСУ для проведения металлографических исследований были переданы образцы трубы, имеющих цинковое покрытие со следами коррозии. Труба диаметром 40 мм была извлечена из системы горячего водоснабжения после двух лет эксплуатации на московской водопроводной воде, которая может быть охарактеризована как слабокоррозионная.
Для сравнения были также проведены исследования покрытия новой оцинкованной трубы диаметром 15 мм. Металлографические исследования проводились с использованием светового (МБС-10) и электронного микроскопов (Quanta 250 FEI), а также количественного измерения структурных составляющих цинкового покрытия (Genesis Apex 2 EDS System и Apollo X SDD Edax). Подготовка шлифов для структурного анализа была выполнена с использованием шлифовальной бумаги марок Р240 (крупность зёрен 50–63 мкм) и Р1500 (крупность зёрен 7–10 мкм) ГОСТ Р 52381–2005. В качестве раствора для травления были использованы 0,1 н. и 0,4 н. растворы соляной кислоты.
Результаты исследования
На рис. 3 представлены микрофотографии, а в табл. 1 — результаты энергодисперсионного анализа цинкового покрытия фрагмента трубы. На основании анализа состояния системы водоснабжения эксперты, обнаружившие свищи в трубах горячей воды, сделали вывод, что причиной ускоренной коррозии является утечка тока. Измерения толщины слоя цинка показывают, что при нормативной толщине 30 мкм большая часть слоя имеет значения около 50 мкм, но на отдельных участках эта толщина снижается до 18 мкм, что может приводить к локальным нарушениям цинкового покрытия в процессе эксплуатации.
При проведении обследования внутренней поверхности того же фрагмента трубы с помощью стереоскопического микроскопа были обнаружены мельчайшие следы очагов коррозии на общем фоне ненарушенного покрытия (со стороны воды), имеющие размеры около 0,1 мм. Анализ структуры цинкового покрытия на внутренней поверхности этой же трубы показывает, что неравномерное распределение и нарушение сплошности цинкового покрытия могут быть причиной появления сквозных свищей при электрохимической коррозии. После нарушения цинкового покрытия процесс коррозии в горячей воде ускоряется в несколько раз. Нами проведены исследования по изучению скорости коррозии образцов в виде пластин, вырезанных из стальной неоцинкованной трубы, в холодной и горячей водопроводной воде.
В зависимости от условий проведения экспериментов средняя массовая скорость коррозии, измеренная по изменению веса образца, составила 0,148 г/(м²·ч), а средняя скорость глубинной коррозии, вычисленная из закона Фарадея, равна 0,165 мм/год. Исследования, проведённые на этих же образцах в горячей воде при +50 °C, показали, что массовая скорость коррозии составила 0,492–0,834 г/(м²·ч), а глубинная скорость — 0,545–0,93 мм/год. Таким образом, можно сделать вывод, что появление свищей при нарушенной поверхности цинкового покрытия и толщине стенки трубы 3 мм может произойти через два-три года, что сопоставимо с приведёнными выше данными.
На рис. 4 представлены микрофотографии цинкового покрытия новой трубы диаметром 15 мм. Как следует из рисунка, неравномерность покрытия наблюдается так же, как и в случае труб, бывших в эксплуатации. Можно отметить, что в составе цинкового слоя содержание чистого цинка больше, чем в трубах бывших в эксплуатации, что свидетельствует о «вымывании» цинка при коррозии не только из поверхностного слоя, но и из более глубоких слоёв (табл. 2).
Обобщая приведённые данные, можно сделать вывод, что, несмотря на накопленные сведения о коррозии оцинкованных труб, нельзя утвердительно ответить, какой из многочисленных факторов приводит к появлению свищей. Безусловно, версия, что токи утечки, имеющие значения до 18 А, как это было указано выше, являются наиболее естественной по сравнению с остальными. Расчёты показывают, что ток 23 мкА в течение года приводит к появлению в стенке трубы толщиной 3 мм питтингов, имеющих поверхность 0,1 см² [2]. Однако эти данные относятся к электрохимической коррозии, а токи, отмечаемые в работе [1], должны приводить к более быстрой коррозии, чем наблюдаемая. Поэтому эксперты, оценивая причины коррозии стальных оцинкованных труб, при отсутствии достаточной информации приходят к выводу, что коррозия является следствием совокупности факторов.
В ряде случаев точное установление причин ускоренной коррозии можно провести на основе анализа продуктов коррозии и осадка, удалённых из зоны появления питтингов.
Особую роль играет коррозионное разрушение электролизом, при котором возникновение каверн происходит без образования в них продуктов коррозии. Коррозия при электролизе имеет существенное отличие от обычной электрохимической коррозии, заключающееся в том, что источник электрического тока, создающего коррозионную цепь, является внешним, то есть имеют место утечки тока. При электрохимической коррозии каверны не только заполнены продуктами коррозии, но и образуют наросты (бугорки) над поверхностью металла [6].
Чем раньше произойдёт идентификация начала коррозии, тем быстрее могут быть приняты меры по предотвращению экономического ущерба и ухудшению качества воды. По результатам проведённых в лаборатории кафедры водоснабжения и водоотведения НИУ МГСУ исследований структуры и состава осадка, образующегося при коррозии на внутренней поверхности труб, был предложен способ идентификации, основанный на определении в составе осадка продуктов коррозии, в частности цинка и меди [7].
Способ позволяет обнаруживать коррозию оцинкованных труб и теплообменного оборудования с начала эксплуатации систем холодного и горячего водоснабжения.
источник
РД 153-34.2-21.544-2002 Методические указания по химическому контролю коррозионных процессов при фильтрации воды через бетонные и железобетонные гидротехнические сооружения
РОССИЙСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ «ЕЭС РОССИИ»
Департамент научно-технической политики и развития
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ХИМИЧЕСКОМУ КОНТРОЛЮ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ ЧЕРЕЗ БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»
1.1. Назначение и область применения
1.4. Химические процессы при развитии химической коррозии в бетонных и железобетонных сооружениях под воздействием природных вод
1.5. Основные требования, предъявляемые нормативными документами к контролю состава природных вод для прогнозирования развития коррозионных процессов
1.6. Основные требования к выбору мест отбора проб и периодичности контроля
2. ПЕРЕЧЕНЬ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ СОСТАВА ВОД
2.1. Перечень гидрохимических показателей, подлежащих контролю в водах, контактировавших с бетоном гидротехнических сооружений, для выявления процессов коррозии
2.2. Перечень параметров, косвенно влияющих на изменение состава природных вод и фильтратов, подлежащих определению
3. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ПРОЦЕССАМИ КОРРОЗИИ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
3.1 Типовые схемы проведения наблюдений
3.2. Критерии оценки характера и интенсивности коррозионных процессов по данным химического контроля вод
4. МЕТОДИКИ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВОД
4.1. Назначение и область применения
4.3. Определение сухого остатка
4.5. Определение общей жесткости
4.10. Определение сульфатов
4.12. Определение общей щелочности, карбонат- и гидрокарбонат-ионов
4.13. Определение свободной двуокиси углерода
4.14. Определение агрессивной двуокиси углерода
4.15. Определение содержания общего железа
4.16. Определение аммиака и ионов аммония
4.19. Метод определения содержания сероводорода, гидросульфид- и сульфид-ионов
4.20. Метод определения содержания сульфидов, сульфитов и тиосульфатов при их совместном присутствии
5. Метрологическое обеспечение методик количественного химического анализа
ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное)
ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное)
Разработано Открытым акционерным обществом «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева»
Исполнители Т.Е. АЛЕКСЕЕВА, Т.М. ГОЛЬДИНА, В.П. КУРНИКОВА, В.П. ТЕРСКИЙ
Утверждено Департаментом научно-технической политики и развития РАО «ЕЭС России» 23.07.2002 г.
Первый заместитель начальника А.П. ЛИВИНСКИЙ
Срок первой проверки настоящего РД – 2007 г.
Периодичность проверки – один раз в пять лет
Ключевые слова: бетонные и железобетонные гидротехнические сооружения, контроль безопасности, коррозия бетона, гидрохимический контроль, химический состав воды, фильтрация, методики количественного химического анализа, метрологическое обеспечение, отбор проб, организация наблюдений, критерии оценки.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ХИМИЧЕСКОМУ КОНТРОЛЮ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ ЧЕРЕЗ БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
Настоящий руководящий документ определяет порядок выявления коррозионных процессов при фильтрации природных вод через бетонные и железобетонные конструкции методами химического анализа природных и фильтрационных вод. Содержит методики количественного химического анализа, их метрологическое обеспечение; основные положения химического контроля вод при исследовании коррозионных процессов в бетонных и железобетонных гидротехнических сооружениях; перечень контролируемых параметров состава вод.
Настоящий руководящий документ обязателен для эксплуатационного персонала независимо от формы собственности ГТС.
1. ГОСТ 25794.1-83, ГОСТ 25794.2-83, ГОСТ 25794.3-83. Реактивы. Методы приготовления титрованных растворов.
2. ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств.
3. ГОСТ Р 8.563-96. Государственная система обеспечения единства измерений.
4. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии.
5. СНиП 2.06.08-87. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений.
6. РД 50-674-88. Методические указания. Метрологическое обеспечение количественного химического анализа.
7. Р 50.2.008-2001. Методики количественного химического анализа. Содержание и порядок проведения метрологической экспертизы.
8. МИ 1967-89 ГСИ. Выбор методов и средств измерений при разработке методик выполнения измерений. Общие представления.
9. МИ 2335-95 ГСИ. Методики выполнения измерений. Контроль качества результатов количественного химического анализа.
10. МИ 2336-95 ГСИ. Характеристики погрешности результатов количественного химического анализа. Алгоритмы оценивания.
11. МИ 2590-2000. Государственная система измерений. Эталонные материалы. Каталог 2000-2001.
12. Рекомендации по обследованию гидротехнических сооружений с целью оценки их безопасности. П 92-2001/ВНИИГ. С-Пб. 2001.
Термины, используемые в настоящих Методических указаниях, даны в трактовке ГОСТ, указанной в Приложении А.
1.4. Химические процессы при развитии химической коррозии в бетонных и железобетонных сооружениях под воздействием природных вод
1.4.1. Коррозия бетона и железобетона под воздействием природных вод является следствием химического взаимодействия компонентов состава воды и компонентов цементного камня бетона с образованием продуктов реакции, переходящих в воду или остающихся в составе бетона. Следствием коррозионных процессов является изменение состава и свойств материала конструкции и состава природной воды.
В конструкциях водоподпорных бетонных гидротехнических сооружений основными путями фильтрации воды и сопровождающей ее коррозии являются трещины, швы, дефекты кладки, поры вокруг швов в плохо уплотненном бетоне. На скорость протекания коррозии оказывает влияние величина гидростатического давления. При фильтрации воды через бетон агрессивные свойства воды проявляются сильнее, чем при омывании конструкции. Скорость коррозионных процессов всех видов определяется и плотностью бетона. Высокая плотность бетона в достаточной степени препятствует развитию коррозии.
1.4.2. По составу ведущих признаков следует выделить три основных вида коррозии.
К I виду относятся все процессы коррозии, в которых под воздействием воды происходит растворение и вынос компонентов цементного камня из структуры бетона.
Ко II виду коррозии относятся процессы, при которых происходит химическое взаимодействие — обменные реакции — между компонентами цементного камня и воды. При высокой растворимости продуктов реакции имеет место их вынос из бетона, в случае малой растворимости — отложение их в порах бетона в виде аморфной, не обладающей вяжущими свойствами массы, не влияющей на дальнейший разрушительный процесс.
Коррозия III вида включает процессы, при развитии которых в порах бетона происходит накопление и кристаллизация малорастворимых продуктов взаимодействия компонентов цементного камня и природной воды с увеличением объема твердой фазы. Следствием такого расширения являются внутренние напряжения, приводящие к разрушению структуры бетона.
В чистом виде коррозия каждого из трех видов встречается редко. В зависимости от свойств бетона, состава агрессивной водной среды, условий их взаимодействия будут преобладать процессы, характерные для определенного вида коррозии. Вид коррозии классифицируется по преобладающему, ведущему признаку. При рассмотрении сущности процесса коррозии в конкретном случае должны быть учтены и вторичные, подчиненные явления, относящиеся к коррозии других видов.
Наряду с процессами деструкции бетона в большинстве сооружений имеют место процессы «самозалечивания» трещин за счет забивания их продуктами коррозии или продуктами их взаимодействия с компонентами природной воды, а также тампонирование трещин примесями механической взвеси, перемещаемой фильтрационным потоком.
В конечном итоге долговечность сооружений, работающих в условиях фильтрации речных и грунтовых вод, определяется совокупностью этих процессов.
1.4.3. Коррозия I вида (коррозия выщелачивания) развивается в мягких (имеющих низкую временную жесткость) водах, характерных для большинства рек России. Кроме того, коррозия I вида сопутствует развитию коррозии других видов за счет трансформации состава этих вод на начальных участках фильтрации через бетон сооружения.
Последовательность разрушения бетона при коррозии I вида заключается в постепенном и последовательном выщелачивании продуктов гидролиза минералов цементного клинкера после растворения легкорастворимых щелочных минералов и свободной извести. Признаки коррозии I вида можно часто наблюдать в бетонах гидротехнических сооружений. Они наиболее заметны на участках высыхания воды, соприкасающейся с цементным камнем бетона в процессе омывания поверхности или фильтрации через бетон. Растворенный и вынесенный из бетона гидроксид кальция карбонизируется и кристаллизуется на поверхности в виде нерастворимого карбоната кальция, иногда образующего натеки в виде сталактитов и сталагмитов.
Интенсивному развитию коррозии I вида способствуют наличие и взаимное влияние трех факторов: низкая временная жесткость воды, высокая проницаемость и плохая укладка бетона.
Основным изменением в составе природной воды, сопровождающим коррозию выщелачивания, является обогащение ее состава растворенными компонентами цементного клинкера.
1.4.4. Коррозия II вида связана с развитием обменных реакций между кислотами или солями воды и составными частями цементного камня. Разрушение цементного камня при данном виде коррозии начинается в поверхностных слоях бетона. Если новообразования не обладают вяжущими свойствами и достаточной плотностью, чтобы препятствовать дальнейшему продвижению агрессивной среды, если они растворяются или смываются механически, то процесс коррозии затрагивает все более глубинные слои бетона, приводя к их разрушению. Если новообразования нерастворимы или продукты коррозии не удаляются, процесс коррозии будет тормозиться, и его интенсивность будет определяться свойствами поверхностного слоя. Слой продуктов реакции образуется постепенно в процессе развития коррозии, поэтому начальная скорость процесса коррозии будет на несколько порядков выше той, которая установится при переходе процесса из диффузионно-кинетической области в собственно диффузионную.
Наиболее часто встречающаяся в природных водах коррозия бетона II вида — углекислотная коррозия т.е. коррозия под действием углекислых вод. Углекислотная коррозия является частным случаем общекислотной коррозии и развивается в жестких природных водах с большим содержанием гидрокарбоната кальция Са(НСО3)2 и некоторым количеством агрессивной углекислоты СО2.
Собственно углекислотная коррозия имеет подчиненное значение по отношению к коррозии физического выщелачивания при тех концентрациях СО2, которые характерны для природных вод. Главная ее роль сводится к разрушению карбонатной пленки, образовавшейся ранее на поверхности бетона до контакта его с водой.
Степень разрушения бетона при углекислотной коррозии зависит не только от концентрации агрессивных компонентов в природной воде, но и от свойств бетона и условий притока и обмена воды у его поверхности. При свободном быстром смывании бетона в открытых водных объектах коррозия бетона, особенно при незначительной его плотности, может протекать достаточно быстро.
Наряду с разрушающим действием при коррозии II вида имеют место процессы не только уплотнения бетона в его массиве, но и «самозалечивания» трещин, снижающие фильтрационные показатели бетонных конструкций за счет образования карбонатов. Исследование состава фильтрующей воды позволяет регистрировать эти процессы и прогнозировать их развитие.
Коррозия II вида обусловлена воздействием на бетон любых, помимо угольной, природных кислот органического и неорганического происхождения (гуминовой, сероводородной и др.). Свободные кислоты в природных водах обычно встречаются редко. Исключением является лишь углекислота, присутствующая почти во всех природных водах. Сернистая и серная кислоты в небольших количествах встречаются в торфяных водах. Почвы содержат гумусовые, креновые и апокреновые кислоты. В застойных участках морского побережья, где создаются условия для быстрого развития бактериальной жизни, возможно присутствие, как правило, в незначительных количествах ряда органических и неорганических кислот.
В отдельных случаях при наличии стечения благоприятных обстоятельств (температурных условий, химического состава воды, наличия в ней органических загрязнителей и др.) возникают биологические сообщества микроорганизмов, продуцирующих в процессе жизнедеятельности значительное количество органических и минеральных кислот. У поверхности бетона возникает среда с весьма высоким содержанием свободных водородных ионов ( pH имеет более низкие значения, чем в природных водах). Такая среда является сильноагрессивной по отношению к поверхности бетона и может в определенных условиях привести к резкому снижению его прочности. Вопросы, связанные с биокоррозией бетона, стали предметом внимания и изучения только в последние десятилетия.
II вид коррозии вызывается также действием магнезиальных солей. Соли магния, в основном сульфат и хлорид магния, часто присутствуют в поверхностных и грунтовых водах, как правило, в незначительных концентрациях. Довольно большое количество названных солей содержится в морских водах. Основные реакции, протекающие между гидроксидом кальция, выщелачиваемым из бетона, и солями магния, состоят в обмене анионами, вследствие чего образуется практически нерастворимый гидроксид магния и хорошо растворимые сульфаты и хлориды кальция.
В порах бетона откладывается аморфный гидроксид магния. При низких концентрациях в воде магнезиальной соли (примерно 1-2%) образующаяся рыхлая, хорошо проницаемая для воды структура гидроксида магния не препятствует дальнейшему развитию коррозии. При более высоких (около 5% и выше) концентрациях в воде магнезиальной соли плотность пленки гидроксида магния растет, способствуя в некоторых случаях уплотнению бетона и повышению его стойкости. Стойкость бетона по отношению к магнезиальной коррозии зависит от его плотности и от состава использованного цемента.
Следствием этих процессов является уменьшение концентрации ионов магния в фильтрующей воде при неизменности концентраций в ней сульфатов и хлоридов.
1.4.5. Коррозия III вида сопровождается образованием в результате взаимодействия компонентов воды и цементного клинкера новых соединений, имеющих большой объем, низкую растворимость и остающихся в структуре цементного камня. Такое внедрение новообразований приводит к нарушению прочности структуры за счет объемной деформации. Внедрение в структуру цементного камня с последующей кристаллизацией в ней и соответствующими деструктивными действиями может иметь место и в случае привнесения соли извне с фильтрующей через сооружение водой.
При коррозии III вида в порах бетона накапливаются соли и на начальных стадиях он уплотняется. Если этот процесс развивается медленно, начальное уплотнение бетона создает картину ложного благополучия. Из-за этого не всегда удается распознавать начальную стадию коррозии III вида. Чем медленнее протекает коррозия, тем позднее наступает, сброс прочности. У неплотных, хорошо проницаемых для жидкости бетонов начало выраженного разрушения в сильно агрессивной среде наступает в течение нескольких недель или месяцев. У плотного, стойкого и прочного бетона перелом кривой роста прочности наступает иногда лишь по истечении нескольких лет эксплуатации. Также замедленно идет процесс разрушения легких бетонов на пористых заполнителях и бетонов с повышенным содержанием пор, так как повышенный резерв пор позволяет разместиться в них большему количеству новообразований прежде, чем начнет развиваться внутреннее давление.
Коррозионные процессы III вида значительно интенсифицируются при попеременном смачивании конструкции и ее высыхании, а также при частичном погружении. Изменение температуры в процессе эксплуатации сооружения, особенно попеременное замораживание и оттаивание, также приводит к усилению коррозии. Гидростатический напор существенно ускоряет коррозию III вида как при постоянном, так и при периодическом действии агрессивной среды.
Наиболее распространенной разновидностью коррозии бетона III вида под воздействием природных вод является сульфатная коррозия. В слабоминерализованных водах, как правило, преобладает сульфат кальция, в сильно минерализованных — сульфаты калия и магния.
При достижении определенной для каждой конкретной солевой системы концентрации сульфата кальция в агрессивной водной среде может развиваться коррозия III вида с кристаллизацией в норовом пространстве гипса CaS 04·2 H 2 0 и гидросульфоалюминатов кальция. Особенно большое влияние на развитие коррозии бетона III вида имеет 30-ти водный гидросульфоалюминат 3 CaO · Al 2 O 3 ·3 CaSO 4 ·30 H 2 O , кристаллы которого очень велики из-за большого количества входящей в них кристаллизационной воды. Образование гидросульфоалюминатов кальция в цементном камне и интенсивность этого процесса зависят не только от концентрации сульфата кальция в норовом растворе, но и от концентрации в нем гидроксида кальция.
1.4.6. Коррозия арматуры чаще всего происходит по электрохимическому механизму. Щелочная среда, присущая поровой воде бетонов, препятствует растворению металла. Незначительная коррозия арматуры в бетоне объясняется пассивностью стали в щелочной среде. Все известные случаи коррозии арматуры в бетоне связаны с тем, что по той или иной причине поверхность арматуры остается активной или не полностью пассивируется при изготовлении конструкции, либо теряет пассивность в процессе эксплуатации. Тем не менее снижение pH порового раствора бетона ниже pH =12 при свободном доступе воздуха (трещины, разломы) и pH =11,5 при ограниченном доступе воздуха являются критическими значениями pH , за которыми может начаться коррозия арматуры в воде, не содержащей активирующих ионов.
Наиболее сильными активаторами электрохимической коррозии металла в природных водах являются хлорид-ионы. Некоторое, значительно меньшее активирующее действие оказывают и сульфаты. В одинаковых экспериментальных условиях активация металла и развитие его коррозии возникают при наличии в воде 4-6 мг/л хлорид-иона и 800-1000 мг/л сульфат-иона. Наибольшее развитие в агрессивной среде коррозионные процессы арматуры приобретают при наличии в бетоне трещин. Немало коррозии в трещине связано с локальной депассивацией металла арматуры в результате нарушения контакта стали с бетоном и изменением условий, при которых обеспечивается стабильность пассивирующих сталь пленок оксида железа. Проницаемость трещин для агрессивных активирующих ионов намного выше проницаемости монолитного бетона.
Эффективный коэффициент диффузии активирующих ионов в трещине шириной 0,2 мм примерно на три порядка выше, чем в бетонах средней плотности, а при капиллярном подсосе жидкости скорость переноса еще более увеличивается.
В целом при наличии трещин в бетоне агрессивное действие хлоридов и сульфатов по отношению к арматуре при одной и той же их суммарной концентрации в природной воде будет увеличиваться с увеличением градиента напора. При равных градиентах напора агрессивность воды с одинаковой концентрацией суммы хлоридных и сульфатных ионов будет выше в зоне периодического насыщения бетона водой по сравнению с зоной постоянного водонасыщения, причем с увеличением числа циклов периодического насыщения водой ее агрессивность нарастает. Наибольшая агрессивность воды, содержащей хлоридные и сульфатные ионы, в одинаковых концентрационных условиях будет реализовываться в зоне капиллярного подсоса и брызг.
Являясь активаторами коррозии, сульфат- и хлорид-ионы не вступают в химическое взаимодействие с металлом. Поэтому сам процесс коррозии арматуры не может быть отслежен и идентифицирован по изменению концентрации компонентов состава природной воды после фильтрации ее через железобетонную конструкцию. Регистрация этого процесса может вестись только по появлению в составе воды (или увеличению концентрации) ионов железа.
1.5. Основные требования, предъявляемые нормативными документами к контролю состава природных вод для прогнозирования развития коррозионных процессов
1.5.1. По степени воздействия на строительные конструкции агрессивные воды подразделяются на слабоагрессивные, среднеагрессивные и сильноагрессивные. Вследствие чрезвычайно сложной природы химической коррозии, определяемой как отдельными компонентами состава воды, так и их сочетанием, а также зависимости интенсивности коррозионных процессов от состава бетона, его плотности, условий его смывания водой или фильтрации через него воды степень агрессивного воздействия будет определяться сочетанием всех перечисленных факторов, что и регламентируется действующим СНиП 2.03.11-85 ( Приложение В, табл. В.1- В.3).
1.5.2. Перечень подлежащих выявлению химических показателей, определяющих агрессивность жидких сред по отношению к бетону и арматуре, практически не зависит от состава цемента, марки бетона по водонепроницаемости, коэффициентов фильтрации грунтов основания сооружения, работы его в напорном или безнапорном режиме и включает (согласно СНиП 2.03.11-85) следующие показатели:
водородный показатель ( pH );
содержание агрессивной углекислоты;
содержание магнезиальных солей в пересчете на ион Mg 2+ ;
содержание аммонийных солей в пересчете на ион NH 4 + ;
содержание едких щелочей в пересчете на ионы Na + и К + ;
содержание сульфатов в пересчете на сульфат-ион;
содержание хлоридов в пересчете на хлорид-ион;
суммарное содержание сульфатов, хлоридов, нитратов и других солей при наличии испаряющих поверхностей.
Поскольку СНиП 2.03.11-85 регламентирует компоненты жидких сред природного и техногенного характера, выбор определяемых компонентов в природных водах для оценки их потенциальной агрессивности по отношению к гидротехнической конструкции может быть скорректирован, исходя из общих сведений о составе природных вод.
1.5.3. При наличии в жидкой среде нескольких агрессивных компонентов оценка агрессивного воздействия среды производится по наиболее агрессивному, т.е. определяющему высшую степень агрессивного воздействия среди прочих агрессивных показателей.
1.5.4. В СНиП 2.06.08-87 опосредованно нормируется мера агрессивности природных вод, содержащих гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты, по условию коррозионной стойкости бетона и по условию сохранности арматуры в массивных напорных бетонных и железобетонных конструкциях через допускаемую ширину раскрытия трещин для сооружений I класса в разных условиях воздействия среды на конструкцию ( Приложение В, табл.В.4, В.5).
1.5.5. В настоящее время нормативы качества вод с учетом биокорродирующих факторов не разработаны. Однако с учетом накопленных знаний, эти факторы должны учитываться при исследовании коррозионных процессов в эксплуатируемых бетонных гидротехнических сооружениях. Перечень компонентов, контролирующих биокоррозионный процесс, изложен в п. 2.1.
1.6.1. Выбору мест отбора проб должно предшествовать визуальное обследование сооружения. В ходе обследования следует установить наличие и масштаб фильтрации через бетон, трещины и швы, выщелачивание цемента с фиксированием подтеков, наростов, следов разрушения бетона. Подготовка к визуальному обследованию должна включать детальное изучение результатов предшествующих наблюдений и обследований, выполненных как эксплуатационным персоналом, так и в ходе специальных исследований.
1.6.2. Выбор мест отбора проб воды на химический анализ и назначение периодичности отбора проб воды должны базироваться на наблюдениях и исследованиях фильтрационных процессов и приурочиваться к ним. Общие принципы проведения натурных наблюдений и исследований фильтрационных процессов на бетонных и железобетонных плотинах изложены в Пособии к СНиП [ 1].
1.6.3. С учетом разнообразия конструкций сооружений, природы и свойств их оснований, режима эксплуатации, наличия и характера дефектов в сооружении программа наблюдений за фильтрационным и химическим режимами в теле и основании плотины должна разрабатываться индивидуально для каждого сооружения, базируясь на общих принципах. Разработка таких программ должна производиться проектной организацией и утверждаться главным инженером объекта.
1.6.4. Основанием для организации наблюдений за состоянием бетона инструментальными методами с привлечением данных о химическом составе фильтрующей воды являются следующие показатели визуального обследования: наличие фильтрующих трещин; интенсивное высачивание воды на дневную поверхность; течи в швах сооружения; выходы из дренажных устройств в бетонной кладке.
1.6.5. Коррозионные процессы, имеющие место в цементационной завесе, суффозионные процессы в основании сооружения контролируются составом воды в пьезометрах, а также составом и фильтрационным расходом воды в дренажных галереях основания. Отбор проб должен по возможности производиться из пьезометров, учитывающих различие геологического строения и водопроницаемости пород основания.
1.6.6. Для контроля суффозионных процессов в грунтах береговых примыканий и в цементационных завесах отбор проб на химический анализ должен производиться из системы пьезометров в береговых врезках, контролирующих обходную фильтрацию, в том числе из пьезометров по обе стороны от цементационных завес. При этом необходимо производить отбор проб из глубинных пьезометров, водоприемники которых расположены на разной глубине, контролирующие массивы с различным литологическим строением и различной водопроницаемостью. Определенная информация может быть получена при отборе и анализе проб воды из дренажных устройств, отводящих воду, фильтрующуюся в обход плотины.
1.6.7. Коррозионные процессы в бетоне напорной грани плотины контролируются составом и величиной фильтрационного расхода воды в смотровых галереях различных ярусов. При необходимости контролировать фильтрационные расходы и химический состав воды на отдельных участках плотины, отличающихся свойствами, состоянием бетона, водопроницаемостью основания и т.д., соответствующие участки должны быть изолированы от соседних так, чтобы измеряемые фильтрационные расходы и состав воды относились бы именно к этим участкам.
1.6.8. Большой практический интерес для оценки долговечности бетона и допустимой ширины раскрытия трещин при коррозии имеют вопросы развития коррозионных процессов непосредственно по трещинам массива и вопросы «самозалечивания» трещин. Названные процессы следует изучать путем отбора проб воды, изливающейся из трещин и швов.
1.6.9. При контроле химического воздействия фильтрующей воды на состояние бетона (помимо отбора проб воды из дренажей, трещин и швов) необходимо производить отбор проб воды из водохранилища. Места отбора проб воды из водохранилища вдоль напорного фронта и по глубине должны быть по возможности согласованы с местами выхода профильтровавшейся воды, т.е. отбор проб желательно производить перед наиболее фильтрующими секциями плотины на соответствующих высотных отметках.
1.6.10. Отбор проб воды на химический анализ должен осуществляться циклами по установленной сетке мест отбора во всех намеченных для контроля местах выхода профильтровавшейся воды на дневную поверхность и на границах питания, т.е. из водохранилища, а при необходимости, и из нижнего бьефа. Длительность цикла, как правило, должна быть в пределах одной рабочей смены.
1.6.11. Частота проведения циклов отбора проб на химический анализ должна быть соотнесена с результатами ежемесячных измерений фильтрационных расходов, но в общем случае составлять не менее двух раз в году. Это позволит отразить динамику сезонных колебаний состава фильтрата, характерную для сезонного изменения состава природных вод, и динамику сезонных изменений фильтрационных расходов, выявленных на ряде сооружений (отбор проб в паводок и межень).
1.6.12. При необходимости детального исследования динамики коррозионного процесса при фильтрации на отдельных участках (например, через трещину или шов) частота отбора проб воды на химический анализ может быть увеличена в соответствии со скорректированной программой исследований. При этом трещины с расходом более 2 л/час должны находиться под усиленным контролем с более частым измерением расхода и определением химического состава воды. Увеличение частоты отбора проб фильтрующей воды следует применять и по отношению к новым очагам фильтрации. Отбор проб воды из них с фиксацией расхода должен проводиться в течение месяца с интервалом в 10 дней. Далее наблюдения могут проводиться один раз в месяц, а затем один раз в полгода наряду с сезонными наблюдениями по ранее выявленным и наблюдаемым местам фильтрации. Увеличение частоты отбора проб на химический анализ необходимо проводить и при возрастании расхода воды через трещины (дрены, швы) для выяснения причин повышения водопроницаемости бетонной кладки. В этом случае частота отбора и анализа проб должна быть в течение полугода ежемесячной и проводиться одновременно с ежемесячным измерением расхода воды из трещин.
2.1. Перечень гидрохимических показателей, подлежащих контролю в водах, контактировавших с бетоном гидротехнических сооружений, для выявления процессов коррозии
2.1.1. Анализ, систематизация и обобщение результатов научных исследований в области химической коррозии бетонных и железобетонных конструкций позволяет регламентировать перечень показателей состава воды, контролируемых методами химического анализа.
2.1.2. В составе природных вод и фильтратов наряду с показателями, регламентированными СНиП 2.03.11-85, обязательному определению подлежат те показатели, которые входят в состав природных вод, а также образуются вследствие взаимодействия природной воды с материалом сооружения, но не инициируют процесс коррозии.
2.1.3. В первую очередь таким показателем является карбонат-ион (СО3 2- ), присутствующий в незначительных концентрациях во многих природных водах при pH более 8, и практически обязательно присутствующий в составе фильтрата в повышенных концентрациях в результате процессов взаимодействия природной воды с бетоном.
2.1.4. Ион кальция (Са 2+ ) подлежит обязательному определению в составе природных вод и вод после контакта с бетоном, так как его концентрация, как правило, значительно меняется при контакте с бетоном, являясь одним из главных индикаторов коррозионных процессов.
2.1.5. В составе фильтратов или вод застойных зон при pH более 10 обязательному определению подлежит гидроксид-ион (ОН — ), который является продуктом выщелачивания бетона.
2.1.6. Низкая щелочность профильтровавшей воды (рН — и N 02 — ). При наличии восстановительной среды биокоррозия может сопровождаться образованием аммиака и ионов аммония ( NH 3 , NH 4 + ), также подлежащих определению.
2.1.7. В случае сопровождающей биокоррозию сульфатредукции и выделения сероводорода (Н2 S ), регистрируемого по характерному запаху, определению в составе фильтрата подлежат это соединение и его формы — ионы HS — и S 2- . Наличие тионовых бактерий обусловит при биокоррозии присутствие в воде сульфит — ( SO 3 2- ) и тиосульфат-ионов ( S 2 03 2- ), которые подлежат определению.
2.1.8. Перечисленные выше химические компоненты следует определять как в составе фильтратов, так и в природной воде верхнего бьефа.
2.2. Перечень параметров, косвенно влияющих на изменение состава природных вод и фильтратов, подлежащих определению
2.2.1. Ряд параметров косвенно влияет на изменение состава природных вод, а также на изменение состава фильтрующей через бетон воды, и обязательно должны регистрироваться при проведении наблюдений за коррозионными процессами в бетоне под воздействием природных вод.
2.2.2. К таким показателям, прежде всего, относится температура воды. Изменение температуры воды сдвигает равновесие в соотношении компонентов карбонатной системы, а следовательно, и в кислотно-основном состоянии воды, и может существенным образом отразиться на ходе коррозионных процессов.
2.2.3. Состав природных вод подвержен выраженному сезонному колебанию, обусловленному не только изменением температурных условий, но и режимом питания водных объектов. Поэтому наблюдения за коррозионными явлениями в бетонных конструкциях плотин или бетонных плотинах должны строиться с учетом этих сезонных колебаний, а полученные данные в обязательном порядке сопровождаться информацией о водном режиме реки (водохранилища) на период проведения наблюдений.
2.2.4. Изменение фильтрационного режима в сооружении зависит от глубины протекания коррозионных процессов, а следовательно, имеет прямое выражение в количественных характеристиках концентрационного состава фильтрующей через сооружение воды при неизменном составе природной воды. Для последующей интерпретации данных химического контроля необходимо иметь информацию о фильтрационном режиме в сооружении, включающую:
изменение во времени фильтрационных расходов;
распределение по различным участкам сооружения вплоть до выделения отдельных трещин, дрен;
данные по ширине раскрытия трещин и дрен.
2.2.5. При одном и том же составе исходной природной воды ее воздействие на материал сооружения будет различно при прохождении через бетоны различной плотности и марок. Интерпретация данных химического контроля состава фильтратов и прогнозирование дальнейшего развития коррозионных процессов будут значительно более достоверными при более полной информации по составу и структуре бетона.
2.2.6. Интерпретация коррозионных процессов помимо информации по составу природной воды и фильтратов должна сопровождаться информацией по характеру и химическому составу отложений солей в случае их обнаружения (налетов, натеков, сталактитов, сталагмитов).
3. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ПРОЦЕССАМИ КОРРОЗИИ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
3.1.1. Наблюдения за химическими процессами, сопровождающими фильтрацию воды в бетонных и железобетонных плотинах и связанными с коррозией бетона и арматуры, необходимо проводить как в теле, так и в основании плотины.
3.1.2. В теле плотин наблюдения проводятся за изменением химического состава воды при фильтрации, идущей через напорную верховую грань плотины. Наблюдения за химическим составом воды сопровождают наблюдения за фильтрационным режимом в сооружении и корректируются на основании полученных данных по этим исследованиям.
3.1.3. В отличие от фильтрационных исследований, где интегральные характеристики фильтрационных расходов достаточно информативны, интегральные изменения химического состава воды, собранной с различных участков фильтрационного фронта в единый коллектор, зачастую не несут никакой практической информации, поскольку не привязаны к определенным участкам коррозии, а следовательно, не являются диагностическим инструментом, позволяющим в дальнейшем принять необходимое инженерное решение. Более того, изменения, имеющие ярко выраженный характер на отдельных участках плотины, могут быть практически снивелированы отсутствием таковых изменений на других участках (каналах) фильтрации и не отразиться на изменении состава воды в интегральной пробе, создавая иллюзию видимого благополучия в сооружении в целом несмотря на наличие интенсивной коррозии на различных участках.
Получение информации о развитии коррозионных процессов на различных участках напорной грани плотины осуществляется отбором проб воды на проведение химического анализа из смотровых галерей различных ярусов с учетом их пространственной структуры. Программа исследований должна предусмотреть возможность наблюдения за коррозионными процессами на отдельных участках по всей плоскости напорной грани как по высоте плотины, так и по длине напорного фронта.
3.1.4. При исследовании процессов коррозии по высоте плотины для исключения транзитного расхода воды из вышерасположенных галерей отверстия всех дренажных скважин в полу вышележащих галерей должны плотно перекрываться крышками или пробками. Это обеспечит идентификацию состава фильтрата в нижерасположенной галерее как фильтрата, принадлежащего данному участку плотины по высоте. При этом необходимо единовременно производить отбор для анализа пробы воды в верхнем бьефе на отметке, расположенной на уровне исследуемого участка плотины, а также выполнять сравнение показателей состава фильтрата с показателями воды верхнего бьефа на данном участке.
Для выявления коррозионных процессов при фильтрации воды вдоль напорной грани следует организовать отбор и химический анализ проб воды на отдельных участках водосборных кюветов смотровых галерей. При этом по возможности необходимо предусмотреть техническое решение по отсечению потока фильтрата на данном исследуемом участке от соседних участков, а также отсечение потока на данном участке от транзитного потока из вышерасположенных галерей. Отбор проб из кюветов смотровых галерей следует производить посекционно в соответствии со структурой членения плотины на секции конструктивными швами. В случае выявления явного изменения химического состава воды в отобранной пробе, свидетельствующего о достаточно выраженном коррозионном процессе, поиск наиболее подверженного коррозии участка может быть продолжен путем отсечения перегородками отдельных участков кюветы внутри секции и отбора воды с выделенных участков. Во всех случаях отбор проб на соответствующем участке должен сопровождаться измерением фильтрационного расхода воды на данном участке.
3.1.5. В случае необходимости большей детализации коррозионных процессов до уровня процессов, протекающих непосредственно через трещины и швы, химическому анализу должна подвергаться вода, фильтрующая через трещины и швы.
Исследование изменения химического состава фильтрующей воды, выходящей на дневную поверхность непосредственно через трещины и швы в галереях, должно производиться отбором проб воды с обязательным замером расходов воды в месте выхода. При исследовании изменения состава воды в трещинах и швах последние должны ранжироваться по величине фильтрационного расхода на трещины с капельным истечением, с малым расходом (до 0,1 л/мин), со стабильным расходом (свыше 0,3 л/мин).
3.1.6. Исследования изменения химического состава воды в основании плотины могут дать информацию об изменении фильтрационного режима в основании плотины по наличию процессов химической суффозии в грунтах основания плотины, по развитию коррозионных процессов в цементационной завесе или бетонной плите основания.
Информация об изменении фильтрационного режима в основании плотины и о химической суффозии грунта основания может быть получена при надлежащем отборе проб и их химическом анализе из пьезометров, контролирующих фильтрационные процессы в основании бетонных плотин. При наличии нескольких осевых поперечных пьезометрических створов контактных пьезометров, скважины которых бурятся из поперечных галерей, отбор проб должен производиться с учетом пространственной структуры как из пьезометров вдоль одного створа, так и из пьезометров различных створов.
3.1.7. Коррозионные процессы, имеющие место в цементационной завесе, должны контролироваться отбором проб воды с их последующим химическим анализом из пьезометров, скважины для которых выходят из цементационной галереи по обе стороны от цементационной завесы в случае малопроницаемых пород основания и с низовой стороны цементационной завесы в случае сильно водопроницаемых трещиноватых оснований. Отбор проб следует проводить из пьезометров заглубленных на различных глубинах, что, в свою очередь, зависит от геологического строения и водопроницаемости пород основания плотины.
В гравитационных плотинах с расширенными швами, а также в контрфорсных плотинах на маловодопроницаемых основаниях, в которых водоприемники контрольного продольного створа пьезометров расположены ниже цементационной завесы, коррозионные процессы в ней контролируются отбором и анализом проб воды из одиночных пьезометров на оси контрфорса и у его грани или из пьезометров поперечных створов, расположенных в различных секциях основания плотины.
В арочных плотинах при наличии цементационной завесы коррозионные процессы в ней контролируются составом воды, отбираемой из двух верховых пьезометров, расположенных по обе ее стороны.
3.1.8. При наличии цементационных завес или бетонных диафрагм в береговых примыканиях плотин коррозионные процессы в этих элементах плотин контролируются анализом химического состава воды из расположенных кустами пьезометров, водоприемники которых находятся на различной глубине контролируемого массива с учетом залегания пластов различной водопроницаемости.
3.2. Критерии оценки характера и интенсивности коррозионных процессов по данным химического контроля вод
3.2.1. Оценка характера и интенсивности коррозионных процессов по данным химического контроля состава фильтрующей воды производится по качественному и количественному изменению состава природной воды вследствие контакта с корродируемыми материалами при фильтрации с учетом фильтрационных расходов и температурных параметров, а также визуально выявленных признаков коррозии.
3.2.2. Различным видам коррозии на их различных стадиях соответствуют достаточно характерные изменения в составе профильтровавшей через сооружения воды.
Рост концентраций ионов калия и натрия, высокая щелочность фильтрующей воды ( pH =10-12 и более) при практическом отсутствии в ней сульфата кальция ( CaSO 4 ) и относительно небольшом содержании гидроксида кальция (Са(ОН)2) свидетельствуют: о наличии коррозионного процесса I вида (коррозии выщелачивания); о начальной стадии этого процесса; о невыщелаченном состоянии бетона; о том, что между бетоном и фильтрующей водой имел место длительный контакт, не сопровождаемый непрерывной сменой воды у его поверхности и что этот контакт, скорее всего, имел место при фильтрации воды по узким и длинным трещинам через поры бетона.
Незначительная (вплоть до полного отсутствия) концентрация в фильтрующей воде ионов калия и натрия при ее высокой щелочности и высоких (вплоть до пределов растворимости и выше) концентрациях Са(ОН)2 свидетельствуют: о наличии коррозионного процесса I вида; о начальной его стадии; о том, что бетон подвержен воздействию воды с постоянной ее сменой и что фильтрация воды, скорее всего, шла по широким трещинам.
Снижение временной жесткости природной воды свидетельствует о начальной стадии углекислотной коррозии II вида.
Увеличение временной жесткости фильтрующей воды по сравнению с ее концентрацией в природной воде свидетельствует о развитии процесса углекислотной коррозии II вида, характеризуемой растворением карбонатной пленки агрессивной углекислотой.
Появление в фильтрующей воде карбонатов калия и натрия свидетельствует о развитии коррозионных процессов I и II вида.
Снижение концентрации сульфатов в фильтрующейся воде с переходом их в состав малорастворимого гипса имеет место при длительном контакте воды с бетоном.
3.2.3. Поскольку практически всегда имеет место сочетание различных видов коррозии с преобладанием одного из них, совокупность перечисленных процессов, развивающихся во времени, приводит, как правило, к следующим изменениям химического состава воды.
Содержание щелочных металлов натрия и калия, как правило, возрастает. Возрастание происходит тем в большей степени, чем благоприятнее условия взаимодействия воды с бетоном, чем больше в клинкере содержится соединений щелочных металлов. При длительной смене воды и обеднении щелочными металлами бетона в объеме, подвергающемся выщелачиванию, концентрация щелочных металлов в составе фильтрующей воды падает.
Содержание ионов кальция сначала падает, затем растет. Полное отсутствие ионов кальция отмечается в начальных стадиях коррозии бетона под воздействием бикарбонатных вод, имеющих практически только временную жесткость. В том случае, если бетон обеднен щелочными металлами и имеет место длительный контакт такого бетона с водой, содержание в воде гидроксида кальция может достигнуть концентраций насыщения и даже пересыщения по данному соединению.
Концентрация иона магния при развитии коррозионных процессов быстро уменьшается. В начальной стадии коррозии в бикарбонатных водах снижение концентрации ионов магния происходит медленнее, чем снижение концентрации ионов кальция. Это связано с большей растворимостью карбоната магния по сравнению с карбонатом кальция, чрезвычайно малая растворимость которого характеризуется в некоторых случаях практически полным отсутствием в воде ионов кальция при значительном содержании в ней ионов магния на начальных этапах коррозии.
Содержание гидрокарбонатных ионов по мере развития коррозии снижается и довольно быстро практически исчезает. Карбонат-ион накапливается только в случае перехода в воду или наличия в ней эквивалентного количества ионов калия и натрия при отсутствии в воде гидроксида кальция. При pH 3 .
4.3.2. Средства измерений, вспомогательные устройства, реактивы и материалы:
Весы лабораторные 2 класса точности, ГОСТ 24104.
Шкаф сушильный с терморегулятором, ГОСТ 13474.
Колбы мерные 50, 100, 200, 250 и 500 см 3 , ГОСТ 1770.
Чашки фарфоровые выпаривательные 50-100см 3 , ГОСТ 9147.
Бутыли с притертыми или винтовыми пробками вместимостью 500 и 1000 см 3 для отбора и хранения проб.
Фильтр обеззоленный «белая лента», ТУ 6-09-1678.
Селикагель технический, ТУ 6-09-31-107-75.
Пипетки 25 см 3 без делений, 2 класс точности, ГОСТ 29227.
Вода дистиллированная, ГОСТ 6709.
Натрий углекислый безводный, х.ч., ГОСТ 83.
4.3.3. Отбор проб и хранение
4.3.3.1. Подготовка посуды для отбора проб
Бутыли для отбора и хранения проб воды промывают водопроводной водой, обрабатывают хромовой смесью, тщательно промывают водопроводной водой, затем 3-4 раза ополаскивают дистиллированной водой.
4.3.3.2. Отбор и хранение проб воды
Пробы воды для определения сухого остатка, объемом не менее 500 см 3 , отбирают в бутыли из полимерного материала или стекла, предварительно ополоснутые отбираемой водой.
Отобранную пробу анализируют в день отбора, не консервируют.
4.3.4. Приготовление растворов и реактивов
4.3.4.1. Приготовление раствора натрия углекислого
10 г безводного углекислого натрия (высушенного при 200°С и отвешенного на аналитических весах) растворяют в дистиллированной воде, тщательно перемешивают, доводят объем раствора дистиллированной водой до 1 дм 3 , перемешивают. 1 см 3 раствора содержит 10 мг натрия углекислого.
4.3.4.2. Подготовка фарфоровых чашек
Пустые пронумерованные чашки выдерживают в сушильном шкафу при температуре (150±2)°С до постоянной массы, охлаждают в эксикаторе, взвешивают.
Аликвотную часть (согласно табл. 1) пробы воды, предварительно профильтрованной через бумажный фильтр «белая лента», помещают в предварительно взвешенную фарфоровую чашку и выпаривают на водяной бане, заполненной дистиллированной водой. После добавления в выпаривательную чашку последней порции исследуемой воды вносят пипеткой 25 см 3 1 % раствора углекислого натрия (масса прибавленного натрия углекислого примерно в два раза должна превышать массу предполагаемого сухого остатка). Раствор тщательно перемешивают стеклянной палочкой. Палочку обмывают небольшим количеством дистиллированной воды, собирая воду в чашку с осадком исследуемой пробы.
После выпаривания внешнюю поверхность чашки с сухим остатком тщательно вытирают и помещают в холодный сушильный шкаф, поднимают температуру до 150° и высушивают при этой температуре в течение 3 часов, охлаждают в эксикаторе, взвешивают.
Высушивание, охлаждение в эксикаторе и взвешивание повторяют до достижения постоянной массы.
Анализ включает два параллельных определения.
Объем пробы в зависимости от концентрации
Диапазон массовой концентрации сухого остатка, мг/дм 3
источник