Основы коррозии и защита объектов водоснабжения и водоотведения

 
 
  
М. В. Асташина, В. Н. Зенцов, И. В. Лапшакова 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ КОРРОЗИИ И ЗАЩИТА ОБЪЕКТОВ 
ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 

УДК 628.1 
ББК 38.761 
А91 
 
Рецензенты:  
кандидат технических наук, главный технолог ОАО «Синтез-Каучук»  
(г. Стерлитамак) Зылъянов Наиль Ахметович;   
доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций  
Уфимского государственного технического университета  
Габитов Азат Исмагилович 
 
 
 
Асташина, М. В. 
А91  
Основы коррозии и защита объектов водоснабжения и водоотведения : учебное пособие / М. В. Асташина, В. Н. Зенцов, И. В. Лапшакова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 188 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1096-0 
 
Рассмотрены вопросы защиты металлов от коррозии, производство и 
применение коррозионностойких материалов для изготовления трубопроводов. Представлен анализ аварий на трубопроводах и технологическом оборудовании. Освещены вопросы создания и применения различных ингибиторов коррозии, электрохимических приемов защиты технологического оборудования и трубопроводов.  
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 
«Строительство». Представляет интерес для специалистов в области проектирования, строительства и эксплуатации инженерных систем водоснабжения и 
водоотведения. 
 
УДК 628.1 
ББК 38.761 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1096-0 
” Асташина М. В., Зенцов В. Н., Лапшакова И. В., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7 
 
РАЗДЕЛ I. СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ НАУКИ ПО ЗАЩИТЕ  
ОТ КОРРОЗИИ ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ И СТРОИТЕЛЬНЫХ  
КОНСТРУКЦИЙ. ОСНОВЫ КОРРОЗИИ 
................................................................ 9 
1.1. Классификация коррозионных процессов 
............................................... 10 
1.2. Химическая коррозия ................................................................................ 12 
1.2.1. Коррозия металлов в жидкостях-неэлектролитах ........................... 12 
1.2.2. Газовая коррозия ................................................................................. 13 
 
РАЗДЕЛ II. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОЗАЩИТЫ  
ВОДОПРОВОДОВ .................................................................................................... 20 
2.1. Электрохимическая коррозия и защита подземных  
трубопроводов 
............................................................................................ 20 
2.1.1. Защита от электрохимической коррозии 
.......................................... 21 
2.1.2. Электрохимическая защита 
................................................................ 22 
2.1.3. Конструкции катодных станций 
........................................................ 23 
2.1.4. Критерии защиты ................................................................................ 26 
2.1.5. Минимальный защитный потенциал ................................................ 26 
2.1.6. Сдвиг потенциала как критерий защиты .......................................... 28 
2.1.7. Максимальный защитный потенциал ............................................... 29 
2.1.8. Контрольные пластины ...................................................................... 30 
2.1.9. Измерение поляризационных потенциалов ..................................... 31 
2.2. Электрометрические изыскания ............................................................... 33 
2.2.1. Коррозионные элементы на поверхности металлического  
сооружения .......................................................................................... 34 
2.2.2. Грунт как коррозионная среда 
........................................................... 35 
2.2.3. Удельное электросопротивление грунта .......................................... 35 
2.2.4. Методы определения коррозионной активности 
............................. 37 
2.2.5. Полевой метод определения удельного электрического   
сопротивления грунта 
......................................................................... 37 
2.2.6. Определение коррозионной активности грунтов по плотности  
катодного тока 
..................................................................................... 41 
2.3. Особенности работы системы катодной защиты 
.................................... 43 
2.3.1. Влияние электроосмоса на защищаемое сооружение 
..................... 44 
2.3.2. Влияние электроосмоса на работу анодного заземлителя 
.............. 45 
2.3.3. Влияние газовыделения на анодах при эксплуатации системы   
катодной защиты 
................................................................................. 48 
3 

2.3.4. Факторы, влияющие на работу анодного заземлителя ................... 49 
2.3.5. Определение оптимальной плотности анодного тока  
в зависимости от совместного влияния температуры,  
газовыделения и электроосмоса ........................................................ 50 
2.3.6. Влияние размеров повреждения изоляции на защитный ток  
трубопровода ....................................................................................... 52 
2.3.7. Влияние подпленочной влаги ............................................................ 53 
2.3.8. Влияние контуров защитного заземления 
........................................ 54 
2.3.9. Определение защитного тока катодной установки с учетом  
условий эксплуатации ........................................................................ 55 
2.4. Проектирование катодной защиты водопровода 
.................................... 62 
2.4.1. Расчет станций катодной защиты 
...................................................... 62 
2.4.2. Расчет СКЗ бесконечной длины ........................................................ 64 
2.4.3. Расчет СКЗ конечной длины 
.............................................................. 65 
2.4.4. Недостатки существующих методов расчета катодной  
защиты 
.................................................................................................. 68 
2.4.5. Зависимость параметров защиты от расстояния между  
трубопроводом и анодным заземлением .......................................... 68 
2.4.6. Влияние на параметры катодной защиты поляризации  
трубопровода при наложении защитного тока ................................ 70 
 
РАЗДЕЛ III. ПОЧВА И ГРУНТ КАК КОРРОЗИОННАЯ СРЕДА 
....................... 72 
3.1. Структура и гранулометрический состав грунтов и почв ..................... 72 
3.1.1. Минерализация и величина рН грунтовых вод 
................................ 73 
3.1.2. Окислительно-восстановительный потенциал ................................ 73 
3.1.3. Воздухопроницаемость ...................................................................... 74 
3.1.4. Удельное сопротивление грунта ....................................................... 74 
3.1.5. Биогенность ......................................................................................... 74 
3.2. Особенности процесса коррозии подземных металлических  
водопроводов 
.............................................................................................. 75 
3.3. Влияние внешних и внутренних факторов  на процесс подземной  
коррозии стальных водопроводов 
............................................................ 79 
3.4. Критерии опасности и требования к выбору средств защиты  
подземных металлических водопроводов от почвенной  
коррозии 
...................................................................................................... 80 
 
РАЗДЕЛ IV. ОСНОВНЫЕ СРЕДСТВА КАТОДНОЙ  
АНТИКОРРОЗИОННОЙ  ЗАЩИТЫ И ТЕХНОЛОГИИ  
ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 
............................................................................................... 82 
4.1. Анодные заземлители - основные средства катодной защиты  
подземных сооружений и коммуникаций от коррозии ......................... 82 
4 

4.2. Материалы, применяемые при изготовлении анодных  
заземлителей 
............................................................................................... 82 
4.3. Особенности создания и применения композиционных  
материалов на основе вторичных нефтяных продуктов 
........................ 87 
4.4. Технология изготовления анодного заземлителя ................................... 89 
4.4.1. Дробление и фракционирование ....................................................... 90 
4.5. Контроль анодных заземлителей при изготовлении  
и эксплуатации ........................................................................................... 96 
4.6. Расчет анодного заземления 
...................................................................... 99 
4.7. Конструкция поверхностного анодного заземлителя .......................... 101 
4.8. Определение массы анодного заземлителя ........................................... 102 
 
РАЗДЕЛ V. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ГЛУБИННЫХ АНОДНЫХ  
ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ 
.................................................................................................... 104 
5.1. Заземлители в обсаженной скважине 
..................................................... 104 
5.2. Заземлители в необсаженной скважине 
................................................. 107 
5.3. Комбинированные заземлители 
.............................................................. 116 
 
ГЛАВА VI. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА,  
СОЗДАВАЕМОГО ГЛУБИННЫМ АНОДНЫМ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕМ ............... 123 
6.1. Поле заряженной точки в однородном грунте 
...................................... 127 
6.2. Исследование влияния формы источника на наведенный  
потенциал и стекающий ток 
........................................................................... 129 
6.3. Влияние неоднородности грунтов на поле 
............................................ 134 
 
РАЗДЕЛ VII. КОРРОЗИЯ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ.  
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ИХ ЗАЩИТЫ 
...................................................... 136 
7.1. Общая схема коррозии металлических труб в воде ............................. 136 
7.2. Коррозионное состояние водопроводных труб .................................... 139 
7.3. Противокоррозионная обработка воды на водоочистных  
станциях .................................................................................................... 141 
7.4. Стабилизационная обработка воды 
........................................................ 142 
7.5. Фосфатные ингибиторы коррозии 
.......................................................... 143 
7.6. Противокоррозионная обработка воды силикатом натрия 
.................. 144 
7.7. Защитные покрытия водопроводных труб ............................................ 146 
7.8. Цинковые покрытия 
................................................................................. 146 
7.8.1. Коррозионная стойкость и механизм защитного действия  
цинковых покрытий ......................................................................... 147 
7.8.2. Неметаллические защитные покрытия водопроводных труб ...... 150 
7.9. Биокоррозия подземных трубопроводов ............................................... 155 
5 

7.9.1. Коррозия за счет бактерий, непосредственно влияющих  
на кинетику электродных процессов 
.............................................. 155 
7.9.2. Коррозия за счет продуктов деятельности бактерий .................... 157 
7.9.3. Защитные меры, предотвращающие биокоррозию наружных  
поверхностей трубопроводов .......................................................... 158 
 
Приложение 1. Методика определения удельного сопротивления грунта ....... 160 
Приложение 2. Методика определения плотности катодного тока ................... 164 
Приложение 3. Показательные и гиперболические функции 
............................. 167 
Приложение 4. Показательные функции (для Х от 1,6 до 10,0) 
......................... 172 
 
ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................................... 180 
 
 
6 

ВВЕДЕНИЕ 
В последние годы защита металлов от коррозии превратилась в глобальную международную задачу [1, 2, 3]. В результате ускорения коррозионных 
процессов потери металла огромны, экономические потери в результате аварий 
на трубопроводах, промышленных химико-технологических установках неисчислимы и т. д. Поэтому во многих развитых странах мира придается огромное 
значение борьбе с коррозией металлов во всех ее проявлениях. В настоящее 
время сложилось пять направлений по борьбе с коррозией металлов. 
Разработка, производство и применение коррозионностойких материалов 
для изготовления трубопроводов, технологического оборудования и т. д. В связи с высокой стоимостью современных коррозионностойких материалов исследователи заняты подбором наиболее стойких и экономически оправданных материалов применительно к конкретным условиям. 
Научные исследования с целью создания коррозионностойких покрытий, 
методов и технологий обработки поверхности материалов, подвергающихся 
коррозионному воздействию. В этом направлении широко известны работы по 
нанесению специальных составов на внутреннюю и наружную поверхность 
трубопроводов, реакторов и других поверхностей, контактирующих с химически агрессивными средами. 
Создание и применение различных ингибиторов коррозии. Ассортимент 
разрабатываемых и производимых ингибиторов коррозии в мире огромен, обусловлено это тем, что универсальных ингибиторов коррозии не существует, создаются новые, для каждой конкретной системы. При этом из 300 000 известных в мировой науке и практике веществ, способных уменьшить скорость коррозии, в России разработаны и периодически применяются более 50 000 наименований (17 ). Однако следует отметить, что в мире наблюдается тенденция  
к снижению объемов применения ингибиторов коррозии, которая объясняется 
ростом замены технологического оборудования на оборудование, изготовленное из коррозионностойких материалов; расширением объемов использования 
коррозионностойких покрытий трубопроводов и оборудования. В России же 
объемы производства и ассортимент ингибиторов растут, что, очевидно,  
в первую очередь, связано с трудностями замены оборудования на оборудование, изготовленное из коррозионностойких материалов.  
Проведение тщательных анализов участившихся аварий на трубопроводах и технологическом оборудовании, в результате которых было установлено, 
что коррозии наиболее сильно подвержены участки так называемого напряженного состояния металла. Это дополнительные напряжения возникают на различных изгибах, искривлениях, вмятинах, в местах сварки, нарушения изоляции  
 
7 

и т. д. В результате борьбы с этим видом коррозии, названным механохимическим, родилось новое направление в защите металлов - райт-процесс. 
Краткий смысл его заключается в комплексе мер по разработке, проектированию, изготовлению и эксплуатации трубопроводов и технологического оборудования для того, чтобы не допустить напряженного состояния металла. 
Широкое применение электрохимических приемов защиты технологического оборудования и трубопроводов. Однако в принципе эти приемы не 
уменьшают потерь металла, хотя существенно повышают надежность системы. 
Однако, несмотря на достигнутые успехи в области катодной защиты, 
остаются открытыми вопросы защиты от коррозии густоразветвленной сети 
подземных трубопроводов, среди которых можно выделить следующие: 
 отсутствие методики расчетов по определению параметров катодной 
защиты в условиях густоразветвленной сети подземных трубопроводов 
с использованием глубинных анодных заземлителей, расположенных в 
неоднородных грунтах; 
 неэффективное использование мощности катодных установок; 
 отсутствие надежных и долговечных конструкций анодных заземлителей; 
 необходимость изучения одновременного влияния температуры, газовыделения, электроосмоса и контуров защитного заземления на параметры катодной защиты подземных трубопроводов; 
 отсутствие рекомендаций по минимальному количеству измерений потенциалов труба-грунт на трубопроводах, эксплуатирующихся в сложных климатических условиях [4]. 
8 

РАЗДЕЛ I
СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ НАУКИ ПО ЗАЩИТЕ ОТ КОРРОЗИИ 
ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ И СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. 
ОСНОВЫ КОРРОЗИИ
Разрушение изделий под действием внешней среды получило название 
коррозия. Термин коррозия происходит от латинского «соггоsiо», что означает 
разъедать, разрушать. 
Разрушение металлов и сплавов происходит в результате химического 
(химическая коррозия), электрохимического (электрохимическая коррозия)  
и механического воздействия внешней среды. Процессы коррозии и эрозии при 
эксплуатации аппаратуры могут протекать одновременно, например, при работе насосов, мешалок и т. п. 
Способность металлов сопротивляться коррозионному воздействию 
внешней среды называют коррозионной стойкостью. 
Основная причина коррозии металлов и сплавов - их термодинамическая 
неустойчивость. Термодинамика дает нам информацию о возможности самопроизвольного протекания коррозионного процесса при данных внешних условиях. Термодинамическая стабильность химического соединения определяется 
знаком и величиной изменения изобарного потенциала G (при его образовании 
из простых веществ). Пусть G1 относится к исходным веществам, G2 - к продуктам реакции, т. е. ¨G = G2 െ G1, и если G1 ! G2 и ¨G ! 0, то соответствующее 
соединение стабильно. 
Термодинамические потенциалы используются для количественной 
оценки движущей силы процесса. Информацию о скорости возможного коррозионного процесса и о влиянии различных факторов на коррозию металлов дает 
кинетика. 
Коррозионные процессы протекают, как правило, на границе раздела фаз 
при взаимодействии твердого вещества с газом или жидкостью, т. е. взаимодействие происходит по гетерогенному механизму. Простейшую схему гетерогенного процесса можно представить в виде следующих основных стадий: 
а) транспортировка реагирующих веществ к поверхности раздела фаз; 
б) химическое взаимодействие; 
в) отвод продуктов реакции из реакционной зоны. 
Любая из стадий схемы может состоять из элементарных процессов, протекающих последовательно, параллельно, сопряженно. Скорость коррозии определяется скоростью процессов самой медленной стадии. Поэтому исследование 
кинетики начинают с установления лимитирующей (самой медленной) стадии 
реакции. 
9 

1.1. Классификация коррозионных процессов 
Коррозионные процессы различают: 
а) по механизму реакций взаимодействия металла со средой; 
б) по виду коррозионной среды; 
в) по виду (геометрическому характеру) коррозионных разрушений на поверхности или в объеме металла; 
г) по характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды. 
По механизму реакции взаимодействия различают два типа коррозии металлов: химическую и электрохимическую. Особо выделяют биологическую 
коррозию, идущую под влиянием продуктов жизнедеятельности бактерий и 
других микроорганизмов, и радиационную коррозию под воздействием радиоактивного излучения. 
По виду агрессивной среды, принимающей участие в процессе разрушения металлов, различают газовую, атмосферную, в растворах электролитов, 
подземную, коррозию в жидкостях-неэлектролитах и др. 
По характеру изменения поверхности металла или степени изменения физико-механических свойств его независимо от того, какое происходило взаимодействие со средой, коррозионные разрушения подразделяются на следующие 
виды (рис. 1). 
 
Рис. 1. Виды коррозионных разрушений: 
а - равномерная коррозия; б - неравномерная коррозия; в - коррозия пятнами;  
г - коррозия язвами; д - коррозия точками; е - подповерхностная коррозия;  
ж - межкристаллитная коррозия; з - структурно-избирательная коррозия 
 
1. Если коррозией охвачена вся поверхность металла, такой вид разрушения называют общей или сплошной коррозией. Сплошную коррозию делят  
на равномерную и неравномерную в зависимости от того, одинакова глубина 
коррозионного разрушения на всех участках металлической поверхности или 
нет. Сплошная коррозия - наименее опасный вид коррозии, так как материал, 
из которого выполнен аппарат или отдельный его узел, незначительно теряет 
свои свойства (около 5 ). 
10