Биокоррозия металла и металлоконструкций

1) Биокоррозия подразделяется на бактериальную (в водных средах, при наличии особого вида бактерий в почве, воде, топливе) и грибную (в атмосферных условиях, при контакте с почвой, при увлажнении поверхности, наличии загрязнений, спор и мицелия грибов)

2)  Значительные эффекты разрушения материала в результате сочетания процессов с разными механизмами могут привести к внезапным отказам техники, находящейся в эксплуатации.

3)  Повреждения в водных средах, в том числе при воздействии обрастателей, разрушение железобетонных сооружений, заглубленных в почву, при воздействии грибов, бактерий и других микроорганизмов. 

б) воздействие макроорганизмов: растения, животные с клеточным, органным и системным уровнями организации (беспозвоночные  и  хордовые).

По механизму  процесса, кроме перечисленных в табл. 3, можно рассматривать биоповреждения как физическое, биохимическое, физико-биохимическое разрушения материалов.

По поврежденным материалам различают действие: на кирпич, камень, здания, сооружения, стекло, силикаты, оптику, дорожные покрытия, древесину и изделия из нее, металл, металлоизделия, полимеры, резину, нефть, нефтепродукты, бумагу, документы, фото, книги, музейные коллекции, краски, клей, кожи, шерсть, одежду, обувь,  радио-  и электрооборудование. 

Проблемы биоповреждений.

Процессы  биологических повреждений объектов в конкретных условиях вызывают различные организмы или их ассоциации. В природных условиях организмы существуют и проявляют свою активность, как правило, в ассоциациях, которые могут изменяться под воздействием привносимых в биосферу новых, ранее не существовавших объектов, например, синтетических полимерных материалов и изделий из них. Поэтому проблему биоповреждений относят к числу экологических. Люди должны заботиться о среде своего существования, сохраняя и поддерживая ее на оптимальном уровне. В плане технологических проблем важно создавать такие материалы, которые в составе изделий служили бы требуемый период времени без текущего и последующего загрязнения биосферы или нарушения экосистем в ней. Однако в результате повреждающего действия биофакторов объекты подвержены соответствующим изменениям, которые в свою очередь ведут к отказам. В качестве примера можно отметить: обрастание подводной части судов организмами – обрастателями, нарушающими лакокрасочные покрытия, снижающими ходовые качества кораблей, приводящими к перегреву и преждевременному износу систем и двигателей; повреждение грызунами целлюлозных материалов (бумаги, картона, древесины), резиновых изделий, пластмасс, лакокрасочных   покрытий; повреждение птицами архитектурных сооружений, памятников культуры, транспортных средств и летательных аппаратов; уничтожение хлопка, шерсти, мехов и других материалов насекомыми; повреждения микроорганизмами оптики, произведений искусств, изделий из кожи, хлопчатобумажных тканей, древесины, пластмасс и ряда других материалов.

Исследования  показали, что более 60 % применяемых в конструкциях техники и сооружений полимерных материалов и покрытий не обладают достаточной микробиологической стойкостью. Некоторые специалисты считают, что до 50 % коррозионных процессов связано с влиянием в той или иной степени микроорганизмов. Микроорганизмы по данным разных авторов вызывают от 50 до 80 % всех повреждений.

Повреждение биофакторами соответствующих объектов не только ведет к их изменению, но может прямо или косвенно отразиться на здоровье человека (выделение токсических продуктов, ухудшение микроклимата, появление аллергенов и др.). Все это необходимо учитывать при создании и эксплуатации соответствующих материалов и изделий из них в закрытых и открытых экосистемах.

Система защиты должна быть построена с учетом общих экономико-статистических данных о биоповреждениях и эффективности средств защиты в масштабе всей страны.

Таким образом, разработка эффективных методов  и средств защиты от биоповреждений требует комплексного подхода как к научно-исследовательской работе, так и к практическим мероприятиям. Проблема биоповреждений предусматривает изучение взаимоотношений и взаимодействия двух аспектов – экологического и технического, прежде всего с точки зрения их значения для хозяйственной деятельности и существования человека. Проблема биоповреждений стала самостоятельной, возникнув на стыке различных наук и отраслей хозяйства. В решении этой проблемы имеет особое значение тесный контакт биологических, химических и технических наук и соответствующих  отраслей  хозяйства.

Проблему  биоповреждений нельзя решать вне общеэкологических и народнохозяйственных программ, направленных на защиту окружающей среды от загрязнений. Живые организмы очищают планету от старых, отработавших свой срок материалов и изделий. Защита материалов от биоповреждений с помощью химических средств приводит в известной мере к загрязнению окружающей среды. Процессы биоповреждений эксплуатирующихся материалов в конструкциях и биоразрушения отработавших и подлежащих утилизации конструкций протекают в одних и тех же экологических условиях. Задача заключена в том, чтобы остановить или замедлить первые,  не затрагивая  или  активизируя  вторые.

Биокоррозия металла и металлоконструкций.

     Микробиологическая коррозия может протекать самостоятельно и сопровождать электрохимическую почвенную, атмосферную, морскую и другие виды коррозии металлов. Действие микроорганизмов на металлы может происходить различно. Прежде всего, коррозию металлов могут вызывать агрессивные экзометаболиты  микроорганизмов — минеральные и органиче ские кислоты и основания, ферменты и др. Они создают коррозионно-активную среду, в которой в присутствии воды протекает коррозия по обычным законам электрохимии.

     Колонии микроорганизмов могут создавать на поверхности металлов наросты и пленки мицелия или слизи, под которыми может развиваться язвенная (питтинговая) коррозия в результате разности электрических потенциалов на различных участках поверхности металла и ассимиляции ионов металлов самими микроорганизмами.

     Биокоррозию металлов могут вызывать различные роды микроскопических грибов. Среди литотрофных бактерий наиболее часто коррозию металлов связывают с деятельностью: сульфатвосста-навливающих бактерий (СВБ) родов Desulfovibrio и Desulfotomaсulum и тионовых бактерий рода Tiobacillus,

  окисляющих серу и соединения серы до серной кислоты; железобактерий родов Саllionella и Sperotilus, окисляющих закиcное железо до окисного. Коррозия металлов и металлоконструкций под действием СВБ встречается в технике наиболее часто по сравнению с другими видами биокоррозии. Характерной особенностью этого вида коррозии является то, что она протекает в анаэробных условиях и основные возбудители ее два рода  СВБ — Desulfovibrio и Desulfotomaсulum.

Aspergillus fumigatus. Cladosporium herbarum.

     Случаи анаэробной коррозии более характерны для -подземных сооружений и конструкций (нефтепромысловое оборудование, трубопроводы, нефтехранилища и т. п.), находящихся в плотных глинистых и водоносных слоях грунта. Коррозия металлов под действием СВБ связана главным образом с образованием сероводорода и сульфидов в результате восстановления сульфатов. Коррозия железа и стали под действием СВБ обычно имеет характер местной и язвенной коррозии. Продукты коррозии окрашены в характерный черный цвет, имеют запах сероводорода, слабо прилегают к поверхности металла, который под их слоем сохраняет блестящую поверхность. Особенно интенсивно протекает коррозия чугуна под действием СВБ, сохраняющиеся островки частиц углерода рассыпаются от легкого прикосновения. В анаэробных условиях глинистых почв водопроводные трубы с толщиной стенки 6 мм разрушались полностью в течение 3—4 лет. Наличие в почве свободных ионов железа ускоряет биокоррозию. Механизм биокоррозии под действием СВБ очень сложен, поскольку параллельно протекает несколько многостадийных процессов, Наряду с восстановлением сульфатов, как правило, происходит восстановление фосфатов.

     Биокоррозия под действием микроскопических грибов. Метаболиты многих микроскопических грибов вызывают коррозию черных и цветных металлов. Биокоррозия под действием грибов характерна для атмосферных и почвенных условий. В местах с ограниченным воздухообменом, где создаются благоприятные для развития грибов температурно-влажностные условия, попавшие на поверхность металла вместе с загрязнениями споры грибов могут вызвать коррозию металлов. Выросшие :на загрязненных поверхностях мицелии грибов способны в дальнейшем удерживать влагу даже при снижении относительной влажности окружающего воздуха до 60% и ниже. Местное повышение влажности в присутствии мицелия создает дополнительные благоприятные условия для развития коррозии. Наиболее опасными в отношении биокоррозии металлов климатическими зонами являются зоны влажного тропического и субтропического климата. В зонах умеренного климата грибы вызывают коррозию в тех случаях, где нарушаются условия хранения или эксплуатации техники. Типичными представителями грибов, вызывающих биокоррозию в различных климатических зонах, являются грибы родов Аsреrgillus, Penicillium, Fusarium, Cladosporium и др. Штаммы музейных культур этих грибов используются в качестве тесткультур для исследования биокоррозии металлов в лабораторных условиях. Как правило, музейные штаммы бывают менее агрессивны, чем культуры, выделенные непосредственно с пораженных грибами материалов. В естественных микоценозах могут встречаться и доминировать наряду с указанными грибами и другие. Поскольку грибы гетеротрофы, то на поверхности чистого, незагрязненного металла, не имеющего контакта с органическими материалами, например смазками, полимерными пленками, красками и др., они не могут развиваться.

     Биокоррозия металлов под действием грибов носит в связи с этим как бы вторичный характер. Вначале грибы поселяются и развиваются на органических материалах, контактирующих с металлом, а затем мицелий, распространяясь на металл, вызывает коррозию своими метаболитами — кислотами, ферментами.

     Биокоррозия отмечалась на незащищенных смазками или неокрашенных металлических деталях — резьбовых соединениях, электрическах контактах и т. п. Такие поражения характерны для радиоэлектронных и оптических приборов (телевизоры, стереотрубы, микроскопы). Образование мицелия на поверхности электрических контактов приборов в ряде случаев вызывало нарушение работы всего прибора вследствие замыкания электрической   цепи  или размыкания из-за нароста продуктов коррозии на поверхностях.

Микроорганизмы  в реактивном топливе стали причиной серьезных коррозионных поражений алюминиевых топливных баков. В большинстве случаев они имеют нитевидную форму на стали, алюминии, цинке, магнии и хромированном никеле; на нержавеющей стали, меди, никеле, свинце и более благородных металлах не встречаются.

Как показывают исследования, на стали круглый зародыш  нитевидной коррозии заполнен синими или зелеными солями двухвалентного железа, а сам коррозионный очаг — красной ржавчиной, представляющей гидрат окиси трехвалентного железа. На магнии продукты коррозии имеют черный цвет (очаг заполнен белой гидроокисью).

При такой коррозии с цинковых пассивированных поверхностей хроматы постепенно исчезают, и на металле формируются коррозионные очаги, содержащие карбонаты и гидроокись цинка. Затем при действии атмосферы они превращаются в окись цинка (белая ржавчина), в результате чего разрушается цинковое покрытие и начинается коррозия стальной подложки. Для предотвращения нитевидной коррозии алюминий, цинк и другие металлы рекомендуется покрывать акрилатными красками.

К биокоррозии  следует отнести и коррозию, возникающую  при контакте металла (сплава) с органическими  материалами.

На железо, цинк, медь, кадмий, алюминий влияют фенопласты и амино-пласты, резина и тефлон, полиамид и полистирол, лакокрасочные и эпоксидные покрытия, дуб и бук. Прочая древесина на эти металлы практически не влияет. Так, прессованная фенолформальдегидная масса с древесной мукой или пропитанная вяжущим веществом вызывает коррозию цинка ~ 3,7 мкм/(м • с), меди 0,3 мкм/(м • с) (относительная влажность воздуха 100%, температура 35 °С). Агрессивным началом в фенопластах является формальдегид, окисляющийся в муравьиную кислоту, а также примеси гексаметилентетраамина, выделяющие аммиак, особенно агрессивный к металлам. Древесная мука как наполнитель этих пресс-материалов вызывает в процессе гидролиза образование уксусной и муравьиной кислот.

Коррозионное  воздействие фенопластов на металлы  особенно сильно в тех местах, где  зазор между пластмассой и  металлом не превышает 5 — 10 мм. При этом сталь корродирует на 0,5—1, цинк — на 0,5 — 20, медь и латунь — на 0,1 — 1,5, алюминий — на 0,05 — 0,2 мкм/мес. Эпоксидные материалы (для этих металлов) вызывают коррозию 0,1 — 10 мкм/мес, а резина и каучук—0,05 —1 мкм/мес.

В табл. №2 приведены данные о коррозии металлов.

3. Степень коррозии металлов в герметичном объеме (а) и при непосредственном контакте (б)