Из растворенных в воде газов наиболее вредное воздействие оказывают кислород и диоксид углерода. Особенно они нежелательны для
13
паро-силовых и гидроэлектрических установок, котлов высокого давления. Под действием кислорода в результате коррозии железо превращается сначала в Fe(OH)2, а при избытке кислорода - в труднорастворимый осадок Fe(OH)3. Свободный СО2 препятствует образованию на поверхности металла защитного антикоррозионного слоя из продуктов коррозии. В паросиловых установках при температурах выше 500 °С может образовываться свободный водород, который при взаимодействии с конструкциями на основе железа образует хрупкие соединения адсорбционного происхождения, приводящие к разрушению стенок конструкций и последующему взрыву.
Очистка природной воды от газов осуществляется механическим и химическими способами, а также нагреванием.
Растворенные в воде соли: гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, азотсодержащие соединения, силикаты, а также органические вещества оказывают разрушающее воздействие на металлические конструкции.
В парогенераторах гидрокарбонаты подвергаются разложению, в результате чего образуются СО2 и осадки СаСО3, MgCO3, Mg(OH)2, FeCO3 и раствор Na2CO3. При наличии большого количества воды карбонаты магния и железа полностью гидролизуются (см. подразд. 2.2.2), переходя в Mg(OH)2 и Fe(OH)2, причем последний частично окисляется в Fe(OH)3 за счет растворенного в воде кислорода. Выделившиеся при разложении гидрокарбонатов и последующего гидролиза осадки дают накипь. В местах ее образования за счет понижения теплопроводности стенки парогенератора перегреваются и покрываются с другой (огневой) стороны окалиной, в основном состоящей из Fe3O4. Последняя, обладая значительно меньшим коэффициентом линейного расширения, чем Fe, при переменном охлаждении и нагревании парогенератора отделяется от стенок, вследствие чего толщина их уменьшается. Из-за плохой теплопередачи увеличивается расход топлива, понижается КПД установки.
Из хлоридов, содержащихся в природной воде, наиболее вредное влияние оказывает хлорид магния, дающий при гидролизе НСl, разрушающую металлические части конструкций. Из сульфатов самой нежелательной примесью является CaSO4. Эта соль практически нерастворима даже в кипящей воде, цементирует осадки других соединений (СаСО3, MgCO3, Mg(OH)2), которые в ее отсутствии являются весьма рыхлыми и слабо прилегают к металлическим поверхностям. Сульфат магния при частичном гидролизе дает серную кислоту и осадок Mg(OH)2. Образующаяся кислота взаимодействует с металлическими частями изделий.
Большинство соединений азота появляется в природной воде в результате ее загрязнения продуктами гниения органических веществ. Образование соединений азота так же, как и сульфидов (аниона S2-), - процесс биохимический, происходящий с участием бактерий. При этом первыми
14
продуктами жизнедеятельности бактерий являются NH3 и NH4+. Далее, при участии бактерий азот окисляется растворенным в воде кислородом воздуха до степени окисления +3 (анион NO2-) и +5 (анион NO3-). Так как жизнедеятельность бактерий непосредственно связана с процессами окисления азота, то по мере повышения его степени окисления все более затрудняются условия существования бактерий. Поэтому при поступлении биологических отбросов в реку в черте города наблюдается наибольшее содержание NH3 и бактерий, далее вниз по течению реки увеличивается сначала содержание NO2-, а затем NO3- количество же бактерий постепенно уменьшается и, наконец, они исчезают. Таким образом, на расстоянии 30-40 км от места загрязнения происходит естественное самоочищение воды. Вода, содержащая соединения азота низших степеней окисления, для питья не пригодна, так как бактерии, участвующие в биохимическом процессе образования этих соединений, вредны для человека.
Для металлических конструкций, парогенераторов и кожухов охлаждаемых машин соединения азота, находящиеся в природной воде, сами по себе не представляют большого вреда (лишь NH3 и NH4+ разрушают медь, цинк и некоторые другие металлы, образуя аммиакаты). Но если в воде присутствуют соединения азота, значит, в ней содержатся те или иные органические вещества (кислоты); последние могут взаимодействовать с металлами, а в парогенераторах увеличивать количество осадка.
Из силикатов в природной воде могут находиться CaSiO2 и MgSiO2, растворимость которых в воде очень мала. Они обладают низкой теплопроводностью по сравнению с другими соединениями и, входя в состав осадка (накипи), цементируют его. Силикаты частично подвергаются гидролизу, в результате чего создается определенная концентрация кремниевых кислот. Последние еще более увеличивают твердые отложения.
В грунтовых и родниковых водах железо встречается главным образом в виде гидрокарбоната Fe(II), превращаясь в дальнейшем в Fe(OH)3, который выделяется в виде красно-бурого осадка. Уже небольшое содержание солей железа в воде (1,5 мг/л) вызывает со временем закупорку водопроводов из-за образования осадка Fe(OH)3 и разложения железистых водорослей, для которых гидроксид Fe(III) является питательной средой. Соли железа можно удалить, пропуская воду через толстые слои кокса, гравия, с помощью магнитной обработки и другими методами.
Органические вещества попадают в воду чаще как продукты разложения или гниения различных живых организмов. Вода, содержащая такие вещества, обычно окрашена в желто-бурый цвет и легко пенится при взбалтывании. Вследствие своей ограниченной растворимости в воде и большой нестойкости они выделяются в виде аморфного осадка, и образуют пену. Пена вызывает бурное кипение воды в теплоэнергетических установках и увлечение воды паром.
15
При низких концентрациях и низких температурах щелочи пассивируют железо; при высоких концентрациях и особенно при высоких температурах железо может выделять водород из щелочных растворов, который образует хрупкие гидриды.
Щелочи вызывают также межкристаллитную хрупкость железа. В этом случае центрами агрессивного воздействия щелочей являются включения оксидов и сульфидов, расположенные между кристаллитами железа. В присутствии хлорид-ионов корродирующее действие щелочей усиливается. Щелочи разрушают бронзовые и латунные клапаны, в паросиловых установках щелочность питательной воды недопустима.
Поскольку большинство компонентов цемента имеет основной характер (наличие Са(ОН)2), то коррозия бетонных сооружений в природных условиях происходит под действием всех веществ, способных реагировать с основаниями: углекислого газа, сероводорода, солей магния, органических соединений.
О влиянии растворенного в воде углекислого газа было сказано в подразд. 1.1.3.
Сероводород разрушает бетонные конструкции аналогично углекислому газу:
Са(ОН)2 + H2S = CaS + 2 Н2О,
CaS + H2S = Ca(HS)2 ,
т.е. образуется растворимый гидросульфид кальция.
При взаимодействии солей магния с Са(ОН)2 (магнезиальная коррозия бетона)
MgCl2 + Са(ОН)2 = Mg(OH)2+ СаСl2
образуется растворимый хлорид кальция и рыхлый аморфный осадок Mg(OH)2.
Действие органических соединений на бетонные сооружения может быть различным. Сахара и органические кислоты (гуминовая, ульминовая и др.) разрушают цементный камень. Растительные жиры и масла, содержащие жирные кислоты, образуют с известью цемента кальциевое мыло. В результате цемент размягчается, и связь между зернами в бетоне нарушается. Наоборот, нефть и ее производные, представляющие собой смесь углеводородов нейтрального характера, для цемента безвредны (если не содержат кислоты, например, серную). Тем не менее, прочность бетона,
16
пропитанного нефтью или нейтральными маслами, несколько снижается.
Смолы также безвредны для бетона, кроме случаев, когда древесная смола содержит уксусную кислоту.
При действии на цемент веществ кислотного характера с ними взаимодействует не только известь, но и происходит разложение (гидролиз) силикатов и алюминатов кальция в цементном камне.
Наибольшее корродирующее действие на бетонные сооружения оказывает вода, содержащая сульфат-ионы (сульфатная коррозия). Последние образуют в теле цементного камня соединения, приводящие к его растрескиванию.
17
