Микробиологическая коррозия: причины и профилактика
Термин «коррозия» описывает ряд процессов, вызванных широким спектром электрохимических факторов. В основе этого лежит присущая нестабильности на атомном уровне большинство промышленных металлов, которая предрасполагает их к возврату в естественную форму - оксиды.
Одна из наиболее необычных форм коррозии является результатом взаимодействия бактерий с широким спектром металлов и сплавов. Микробиологически вызванная коррозия (MIC) технически функционирует как ускоритель для более традиционных процессов коррозии. Скорость ускорения, однако, может в 10-1000 раз превышать обычные скорости коррозии, что требует, чтобы MIC рассматривался как отдельный процесс коррозии с практической точки зрения.
MIC инициирует и размножается в основном двумя процессами. Первое - это образование ячеек коррозии на поверхности металла. Колонии микроорганизмов генерируют липкие биопленки, которыми они прилипают к поверхности своего хозяина и создают микроокружение, значительно отличающееся от окружающего металла. Различия в растворенном кислороде, pH, а также органических и неорганических соединениях в этих микросредах приводят к различиям электрического потенциала с окружающим металлом, образуя высокоактивные коррозионные ячейки. Второе происходит путем прямого химического воздействия. Метаболические побочные продукты многих микроорганизмов обладают высокой коррозионной активностью. Два родственных организма - восстанавливающие серу бактерии (Disulfovibrio) и сероокисляющие бактерии (Thiobacillus thiooxidans) - продуцируют сероводород и серную кислоту соответственно. Локализованные концентрации серной кислоты от этих побочных продуктов достигли 10 процентов. Другие виды бактерий производят широкий спектр органических кислот, а также аммиак.
Как аэробные бактерии, которые процветают в оксигенированной среде, так и анаэробные бактерии, которые процветают в минимальной или не кислородной среде, были зарегистрированы в MIC. В некоторых случаях эти два типа бактерий имеют симбиотическую взаимосвязь, поскольку аэробные бактерии осаждают биопленки, в которых на границе раздела металлов образуется обедненная кислородом зона. Эта обедненная кислородом зона становится идеальной средой для роста колоний анаэробных бактерий.
Образование бугорков также часто связано с MIC. Бугорки напоминают пузырьки продукта коррозии и возникают из отложений биопленки и железоокисляющих бактерий, особенно в областях с низкой скоростью потока в системах трубопроводов с жидкостью. Цикл роста и разложения туберкула высвобождает сульфаты и обеспечивает место для анаэробных сульфатредуцирующих бактерий внутри пузыря. Бугорки также образуют эффективную ячейку для концентрации кислорода, растворяя железо под пузырем. Неограниченный рост бугорка в системах транспортировки жидкости будет сильно ограничивать или даже полностью блокировать поток жидкости.
Контакт поверхности металла с водой является предварительным условием для MIC. Поскольку виды бактерий, ответственных за MIC, не представляют опасности для здоровья человека, «безопасные» системы питьевой воды подвергаются такому же риску, как и системы питьевой воды. Системы охлаждения и теплообменники, колодцы, пожарные и сельскохозяйственные автоматические спринклерные системы и резервуары для хранения жидкости являются одними из наиболее очевидных потенциальных площадок для развития MIC. Однако жидкие продукты, обычно не связанные с водой, такие как бензин, масло, смазочные материалы для механической обработки и резки, содержат, по крайней мере, следовые количества воды, достаточные для поддержки бактерий, которые вызывают MIC. Практически все обработанные жидкие продукты, включая продукты питания и напитки, нефтехимические и другие коммерческие и промышленные продукты, также содержат различное количество воды и чувствительны к MIC.
MIC возникает как общая коррозия, так и точечная коррозия, хотя локализованная точечная коррозия является более определенной формой и с большей вероятностью приведет к серьезным отказам системы. Участки с низким потоком в циркуляционных системах, таких как теплообменники и технологические трубопроводы, особенно чувствительны, так как эти места "остановленного потока" дают бактериям возможность прикрепиться к трубе или поверхности трубы. Как при микроскопических, так и при макроскопических особенностях «замедление» потока жидкости происходит в любой щели, стыке, сварном шве или дефекте, и это типичные места для MIC. Прерывание потока в системах с циркулирующей жидкостью, таких как выходные, на ночь или даже кратковременное отключение из-за технического обслуживания, также обеспечивает возможность бактериальной адгезии и инициирования MIC.
Как только бактерии установлены, процесс коррозии продолжается даже после восстановления потока. Гидростатическое испытание, при котором система заполнена жидкостью, находится под давлением, проверено на герметичность и дренирована, но часто не полностью высушено, - это последовательность, неоднократно наблюдаемая при возникновении неисправностей MIC. Это тестирование обычно непосредственно предшествует вводу системы в эксплуатацию, и сбой может не произойти в течение нескольких месяцев. Когда в конечном итоге происходит сбой, гидростатическое испытание и застойные остатки жидкости часто пропускаются, и, как таковой, сбой ошибочно диагностируется как коррозия, вызванная хлоридом.
Статические жидкостные системы, такие как отстойники и резервуары для хранения, являются восприимчивыми средами для MIC. Углы, фитинги, соединения и сварные швы снова уязвимы, и в случае топлива и нерастворимых в воде жидкостей, интерфейс между жидкостью и любым загрязнителем воды особенно чувствителен. MIC в подземных резервуарах и трубопроводах, особенно на влажных глинистых почвах, широко наблюдался, несмотря на защитные смолы, асфальт или полимерные покрытия. Будучи эффективным средством предотвращения обычной коррозии, любое расслаивание или разрушение связующего покрытия обеспечивает идеальную среду для роста бактерий.
Практически все промышленные металлические сплавы подвергаются MIC, за исключением титановых сплавов. Испытания показывают, что несколько сплавов из нержавеющей стали, содержащих молибден на уровне 6 и более процентов, также обладают высокой устойчивостью к MIC. Эти ограничения строго ограничивают замену материала как стратегию смягчения MIC.
Металлические сплавы и их подверженность коррозии
Углеродистые стали. Углеродистые стали, как правило, подверженные обычным процессам коррозии, также широко подвержены воздействию широкого спектра бактерий, вовлеченных в MIC. Из соображений стоимости и простоты изготовления углеродистая сталь является предпочтительным материалом для многих систем хранения и транспортировки воды, а также наиболее широко распространенным материалом при отказах MIC. Защитные покрытия обычно имеют ограниченную профилактическую ценность.
Нержавеющие стали
Эти сплавы образуют прочные поверхностные слои из оксида хрома, из которых они получают коррозионную стойкость. Однако после разрушения оксидного слоя они особенно уязвимы как для обычной, так и для MIC-коррозии. Сварные швы очень восприимчивы из-за потенциальной неоднородности сплава. Компоненты с высоким напряжением являются потенциальными местами инициирования коррозионного растрескивания под напряжением.
Алюминиевые сплавы
В 1950-х годах одним из самых ранних признанных громких случаев применения MIC были топливные баки для алюминиевых реактивных самолетов. Загрязнение воды в топливе на основе керосина и конденсация в резервуарах обеспечивали среду, в которой размножались бактерии. Исследования показывают, что некоторые виды бактерий могут использовать керосин и другие ископаемые виды топлива в качестве источника питательных веществ. Начиная с этого знаменательного случая, MIC широко признана как серьезная проблема как для компонентов танков, так и для конструктивных самолетов.
Медные сплавы
Как правило, более высокое содержание сплавов снижает коррозионную стойкость медных сплавов, хотя относительно чистая медь также чувствительна к MIC. Медь и медные сплавы подвержены влиянию широкого спектра бактериальных побочных продуктов, включая диоксид углерода, сероводород, а также органические и неорганические кислоты. Компоненты из медного сплава, подвергнутые холодной обработке или напряжению, особенно подвержены коррозионному растрескиванию под действием аммиака и бактерий, которые его генерируют. Избирательная коррозия, такая как удаление цинка в латунных сплавах, также наблюдалась при отказах MIC. Никелевые сплавы - эти сплавы часто используются в приложениях с высоким давлением и высоким расходом, таких как насосы, лопатки турбин, клапаны и испарители. Компоненты из никелевого сплава в этих системах уязвимы для MIC во время интервалов отключения и в условиях застоя воды. Никель-хромовые сплавы проявляют определенную стойкость к MIC.
Профилактика и анализ
Первая линия защиты от MIC - это чистота. Общие методы предотвращения коррозии являются хорошей отправной точкой, поскольку, как только начинается коррозия, введение бактерий, продуцирующих MIC, значительно ускорит процесс. Как только бактерии установлены, анаэробные бактерии, которые «туннелируют» в металл, и другие формы, которые прилипают к биопленкам, чрезвычайно трудно полностью удалить из пораженной системы. Вода и другие жидкости должны контролироваться на предмет содержания твердых частиц и мусора. Эти загрязнители обеспечивают питательные вещества для бактерий, ускоряя их размножение. Фильтрация жидкостей полезна в этом отношении. Содержание воды в топливе, смазочных материалах и аналогичных продуктах должно контролироваться и удаляться при достижении чрезмерных уровней.
Замена материалов имеет ограниченную ценность, поскольку, как отмечалось, MIC влияет практически на все промышленные металлы. Однако, есть несколько материалов, которые являются непроницаемыми или устойчивыми к MIC, где стоимость и совместимость оправдывают их использование. Эти материалы, как правило, чрезвычайно дороги, а в некоторых случаях, например, титан, требуют специальных методов изготовления. В случае подземных трубопроводов и других систем транспортировки и хранения текучей среды альтернативные неметаллические материалы, такие как ПВХ, имеют значительно ограниченный MIC, где эти материалы могут быть заменены. Однако местные строительные нормы и правила часто исключают эту опцию в конструктивных применениях.
Конструкция для минимизации областей с низким расходом, щелей, сварных швов и т.д. может снизить вероятность использования MIC, но существуют значительные ограничения в отношении того, насколько далеко может быть принят этот подход при разработке и изготовлении практических систем. Биоциды широко используются для очистки поступающей воды. Они, однако, очень токсичны и дороги и требуют регулярного контроля концентрации. Их токсичность и потенциальное загрязняющее действие препятствуют их использованию в любых пищевых продуктах и многих технологических жидкостях.
Параметры, при которых может происходить MIC, чрезвычайно разнообразны и включают множество видов бактерий, широкий спектр пораженных материалов и практически бесконечное разнообразие окружающей среды. В результате, профилактика и смягчение MIC одинаково различны. Точный анализ причин и следствий каждого отдельного отказа MIC является важным первым шагом при выборе из этого диапазона решений.
