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Recherche sur la corrosion et l'inhibition des tuyaux en acier galvanisés dans les systèmes d'approvisionnement en eau

L'étude de la corrosion et de son inhibition dans les tuyaux en acier ** galvanisés ** dans les systèmes d'approvisionnement en eau est un domaine critique de la science de l'infrastructure, fusion de l'électrochimie, génie des matériaux, et des problèmes de santé publique. Faire face à ce sujet nécessite de disséquer les mécanismes fondamentaux de la dégradation du zinc et du fer, puis explorer les stratégies chimiques et physiques utilisées pour atténuer ces effets et prolonger la vie du système.

Les mécanismes de corrosion de l'acier galvanisé dans les systèmes d'eau

Les tuyaux en acier galvanisés fonctionnent sur le principe de ** Protection sacrificielle **. La couche externe de zinc est destinée à être l'anode, Corrodage préférentiellement pour protéger la cathode en acier sous-jacente. Cependant, Cette protection est finie, et l'environnement corrosif des systèmes d'eau municipaux introduit une complexité qui entraîne une défaillance au fil du temps.

Les étapes de la dégradation

Le processus de corrosion est généralement segmenté en trois étapes distinctes mais qui se chevauchent, entraîné principalement par ** Oxygène dissous ** et ** Chimie de l'eau **:

1. Le stade initial de corrosion et de passivation du zinc

Lorsqu'un nouveau tuyau galvanisé est introduit, Le zinc exposé réagit avec l'oxygène dissous ($\texte{O} \texte{₂}$) et, surtout, **alcalinité et dureté ** ($\texte{Californie} \texte{²⁺}$, $\texte{Mg} \texte{²⁺}$, $\texte{HCO} \texte{₃} \texte{^–}$) présent dans l'eau.

Formation de films protecteurs: Idéalement, Cette réaction forme un dense, Écurie ** Couche de passivation **, souvent composé de carbonate de zinc de base ($\texte{Zn} \texte{₅}(\texte{OH}) \texte{₆}(\texte{CO} \texte{₃}) \texte{₂}$), carbonate de calcium ($\texte{Caco} \texte{₃}$), ou hydroxyde de zinc ($\texte{Zn}(\texte{OH}) \texte{₂}$) précipiter. La stabilité et l'intégrité de cette couche sont primordiales; Un film robuste peut prolonger considérablement la durée de vie du tuyau en isolant le métal de l'eau en vrac.
Sensibilité à la chimie de l'eau: Le taux de passivation est très sensible à l'indice de saturation ** Langlier ($\texte{LSI}$)**. Faible $\texte{pH}$, faible alcalinité, et l'eau de dureté basse (eau douce) sont intrinsèquement plus agressifs car ils inhibent la formation du texte de protection{Caco} \texte{₃}$ component in the film, conduisant à une dissolution plus rapide du zinc pur.

2. La transition et la stade des piqûres

C'est le point de défaillance du système sacrificiel. Au fil du temps, Rétouffement physique d'un débit d'eau ou d'une attaque chimique localisée (Souvent par ** ions chlorure ($\texte{Cl} \texte{^–}$)** ou ions sulfates ($\texte{DONC} \texte{₄} \texte{^2-}$)) violer la couche protectrice.

Inversion de l'anode: Dans des conditions spécifiques, en particulier à des températures élevées (above $60°\text{C}$ or $140°\text{F}$), Le potentiel électrochimique entre le zinc et le fer peut ** inverser **. Zinc, qui est normalement anodique, peut devenir cathodique à l'acier sous-jacent. Quand cela se produit, L'acier nouvellement exposé devient l'anode et corrode rapidement - un mécanisme de défaillance catastrophique.
Attaque localisée (Piqûres): Une fois l'acier exposé localement à travers un pore ou un défaut dans la couche de zinc, un petit, Formes de cellules de corrosion très actives. La grande zone de zinc environnante agit comme la cathode, conduire la dissolution anodique de la petite zone en acier exposée, conduisant à la corrosion rapide ** à la corrosion ** et à la perforation du tuyau.

3. La dernière étape de corrosion en acier (Tubercule)

Une fois que des zones importantes de l'acier de base sont exposées, Le mécanisme de corrosion primaire se déplace vers l'oxydation du fer.

Tubercule: Les produits d'oxydation du fer, comme l'hydroxyde ferreux ($\texte{Fe}(\texte{OH}) \texte{₂}$) et oxydes de fer rouge / noir ultérieur ($\texte{Fe} \texte{₂}\texte{O} \texte{₃}$, $\texte{Fe} \texte{₃}\texte{O} \texte{₄}$), précipiter sur le site de la corrosion. Cela crée des monticules localisés caractéristiques appelés ** Tubercules **.
Échec hydraulique: La tubercule ne consomme pas seulement le matériau du tuyau; Il restreint gravement le diamètre interne du tuyau, conduisant à une réduction spectaculaire de ** Capacité hydraulique ** et à une augmentation des coûts d'énergie de pompage. En outre, ces précipités, avec des biofilms microbiens potentiels, contribuer à la détérioration de la qualité de l'eau (par exemple., “eau rouge” plaintes).

Stratégies d'inhibition: Atténuation et contrôle

La recherche sur l'atténuation de la corrosion se concentre sur deux routes principales: Optimiser la chimie de l'eau pour promouvoir la passivation naturelle, et introduire des agents chimiques (inhibiteurs) Pour stabiliser la surface métallique.

1. Conditionnement de la chimie de l'eau (Stratégie non chimique)

La stratégie la plus durable consiste à ajuster les propriétés naturelles de l'eau pour encourager un film de protection stable.

pH et contrôle de l'alcalinité: Maintaining the water’s $\texte{pH}$ within an optimal range (typiquement $7.5$ à $8.5$) et assurer une alcalinité ** adéquate ** soutient les précipitations du texte de protection $ {Caco} \texte{₃}$ and basic zinc carbonates. Ce sweet spot minimise la dissolution des deux zincs (at low $\texte{pH}$) Et le dernier film passivant (at high $\texte{pH}$).
Réglage de la dureté: Augmentation de la dureté du calcium ** ** (Si l'eau est très douce) est une stratégie commune, Comme la présence de $ text{Californie} \texte{²⁺}$ Les ions sont essentiels pour former le dense, Texte de type d'échelle{Caco} \texte{₃}$ component that stabilizes the overall passivation layer.

2. Inhibiteurs de la corrosion chimique (L'outil d'atténuation primaire)

Les inhibiteurs sont des composés chimiques ajoutés en quantités de traces qui interrompent le processus de corrosion électrochimique. Ils sont classés en fonction de leur mécanisme de protection:

un. Inhibiteurs anodiques (Formage de films)

Ces composés forment une barrière protectrice spécifiquement à l'anodique (corrodage) sites, Polarisant efficacement la surface métallique.

Phosphates: La classe la plus courante utilisée aujourd'hui, surtout ** orthophosphates ** ($\texte{Après} \texte{₄} \texte{^3-}$). Ils réagissent avec des ions métalliques dissous ($\texte{Zn} \texte{²⁺}$, $\texte{Fe} \texte{²⁺}$) pour former un insoluble, film mince ($\texte{Zn} \texte{₃}(\texte{Après} \texte{₄}) \texte{₂}$ or $\text{Fe} \texte{₃}(\texte{Après} \texte{₄}) \texte{₂}$) directement sur la paroi du tuyau. Le but est un film ** Zinc Orthophosphate ** qui fournit, protection stable.
Silicates: Historiquement utilisé, Les silicates forment des films très insolubles qui bloquent l'accès à des ions agressifs à la surface métallique. Leur efficacité est souvent améliorée lorsqu'elle est combinée avec d'autres inhibiteurs.

b. Inhibiteurs cathodiques (Ralentissement de la réduction de l'oxygène)

Ces inhibiteurs ralentissent la réaction cathodique (La réduction de l'oxygène), contrôler efficacement le courant qui entraîne la corrosion.

Polyphosphates: Ceux-ci fonctionnent comme des agents de séquestration, Empêcher la formation d'hydroxyde de fer volumineux précipité ($\texte{Fe}(\texte{OH}) \texte{₃}$) qui autrement formerait des tubercules. Ils gardent les ions métalliques solubles, réduisant le visible “eau rouge” problème, mais sont généralement moins efficaces pour arrêter directement la perte de métal que les orthophosphates. Souvent, Un ** mélange d'ortho- et les polyphosphates ** sont utilisés pour fournir à la fois une prévention immédiate de la corrosion (ortho) et séquestration (poly).

c. Systèmes d'inhibiteur mélangés

La pratique moderne utilise rarement un seul inhibiteur. La recherche se concentre sur l'optimisation des mélanges synergiques, tel que:

Mélanges ortho-polyphosphate: Cette approche commune fournit une passivation immédiate (ortho) Tout en gardant l'eau stable et propre (poly), Gérer les objectifs concurrents de la protection et de la clarté de l'eau.
Mélanges phosphate-silicate: Ceux-ci capitalisent sur la ténacité des silicates formant le film et les fortes capacités polarisantes des phosphates, obtenir souvent de meilleurs résultats que l'un ou l'autre composé seul, surtout dans les chimies d'eau plus douces.

Orientations futures de la recherche

Tandis que l'acier galvanisé est progressivement progressé dans une nouvelle construction, La gestion des millions de kilomètres de tuyauterie galvanisée existante reste un défi majeur. Les recherches futures doivent se concentrer sur:

Influence du biofilm: L'interaction complexe entre les inhibiteurs, Produits de corrosion, et les biofilms microbiens ne sont toujours pas entièrement compris. Les biofilms peuvent consommer de l'oxygène ou créer des conditions acides localisées, accélérer la corrosion même en présence d'inhibiteurs.
Surveillance avancée: Développer non invasif, Techniques de surveillance en temps réel (par exemple., Analyse du bruit électrochimique, Modèles de prédiction d'apprentissage automatique) pour évaluer avec précision le taux d'amincissement et l'intégrité de la couche de zinc sur place.
Inhibition verte: S'éloigner des inhibiteurs traditionnels à base de phosphore, qui contribuent à l'eutrophisation de l'eau, vers plus respectueux de l'environnement, Alternatives non toxiques dérivées de produits naturels ou de composés organiques spécialisés.