Исследование коррозии и ингибирования оцинкованных стальных труб в системах водоснабжения

Изучение коррозии и ее ингибирования в ** оцинкованных стальных трубках ** в системах водоснабжения является критической областью инфраструктурной науки, Объединение электрохимии, Материальная инженерия, и проблемы общественного здравоохранения. Работа с этой темой требует распространения фундаментальных механизмов деградации цинка и железа, и затем изучение химических и физических стратегий, используемых для смягчения этих эффектов и продления срока службы системы.

Механизмы коррозии оцинкованной стали в водных системах

Оцинкованные стальные трубы работают по принципу ** жертвенной защиты **. Внешний слой цинка предназначен для анода, Корродирование преимущественно для защиты базового стального катода. Однако, Эта защита конечна, и коррозионная среда муниципальных систем водоснабжения вводит сложность, которая приводит к разрушению с течением времени.

Стадии деградации

Процесс коррозии обычно сегментируется на три отдельных, но перекрывающихся этапов, Приведено в основном ** растворенного кислорода ** и ** химия воды **:

1. Начальная стадия коррозии цинка и пассивации

Когда введена новая оцинкованная труба, Объединенный цинк реагирует с растворенным кислородом ($\text{O} \text{₂}$) и, важно, **щелочность и твердость ** ($\text{Ca} \text{²⁺}$, $\text{Mg} \text{²⁺}$, $\text{HCO} \text{₃} \text{^–}$) присутствовать в воде.

Формирование защитных фильмов: В идеале, Эта реакция образует плотный, стабильный ** пассивальный слой **, часто состоит из основного карбоната цинка ($\text{Zn} \text{₅}(\text{OH}) \text{₆}(\text{CO} \text{₃}) \text{₂}$), карбонат кальция ($\text{CaCO} \text{₃}$), или цинк гидроксид ($\text{Zn}(\text{OH}) \text{₂}$) осаждения. Стабильность и целостность этого слоя имеют первостепенное значение; Надежная пленка может значительно продлить срок службы трубы, изолируя металл от объемной воды.
Чувствительность химии воды: Скорость пассивации очень чувствительна к индексу насыщения ** Langlier ($\текст{LSI}$)**. Низкий $\текст{рН}$, Низкая щелочность, И низкая твердость воды (мягкая вода) по своей сути более агрессивны, поскольку подавляют образование защитной $\text{CaCO} \text{₃}$ компонент в фильме, приводя к более быстрому роспуску чистого цинка.

2. Стадия перехода и утилизации

Это точка неудачи жертвенной системы. Через некоторое время, Физическая штилька по потоку воды или локализованную химическую атаку (часто ** хлоридными ионами ($\text{Cl} \text{^–}$)** или сульфатные ионы ($\text{SO} \text{₄} \text{^2-}$)) нарушает защитный слой.

Обращение анода: В определенных условиях, особенно при повышенных температурах (выше $60°\text{C}$ или $140°\text{F}$), Электрохимический потенциал между цинком и железом может ** обратно **. Цинк, который обычно анодный, может стать катодическим для основной стали. Когда это произойдет, Недавно обнаженная сталь становится анодом и быстро коррозируется - механизм катастрофического отказа.
Локализованная атака (Ячечка): После того, как сталь обнаружена на локальном уровне через пор или дефект в слое цинка, маленький, Высоко активные коррозионные формы клеток. Большая окружающая зона цинка действует как катод, Вождение анодного растворения небольшой стальной области, приводя к быстрой ** коррозии ячечки ** и перфорации трубки.

3. Последняя стальная стадия коррозии (Туберкуляция)

После того, как выставлены значительные участки базовой стали, Первичный механизм коррозии переходит к окислению железа.

Туберкуляция: Продукты окисления железа, такие как гидроксид железа ($\text{Fe}(\text{OH}) \text{₂}$) и последующие оксиды красного/черного железа ($\text{Fe} \text{₂}\text{O} \text{₃}$, $\text{Fe} \text{₃}\text{O} \text{₄}$), осадить на месте коррозии. Это создает характерные локализованные курганы, известные как ** бугорки **.
Гидравлическая неудача: Туберкуляция не только потребляет материал трубы; он сильно ограничивает внутренний диаметр трубы, приводя к резкому снижению ** гидравлической мощности ** и увеличению затрат на энергию перекачки. Более того, эти осаждаются, наряду с потенциальными микробными биопленками, способствовать ухудшению качества воды (например, “красная вода” жалобы).

Стратегии запрета: Смягчение и контроль

Исследования по смягчению коррозии фокусируются на двух основных маршрутах: Оптимизация химии воды для содействия естественной пассивации, и введение химических агентов (ингибиторы) Чтобы стабилизировать металлическую поверхность.

1. Кондиционирование химии воды (Нехимическая стратегия)

Наиболее устойчивой стратегией является корректировка естественных свойств воды, чтобы поощрять стабильную защитную пленку.

PH и контроль щелочности: Поддержание воды $\текст{рН}$ в оптимальном диапазоне (обычно $7.5$ к $8.5$) и обеспечение адекватной **щелочности** способствует осаждению защитных $\text{CaCO} \text{₃}$ и основные карбонаты цинка. Это сладкое пятно минимизирует растворение обоих цинка (на низком уровне $\текст{рН}$) и последний пассивирующий фильм (на высоте $\текст{рН}$).
Регулировка твердости: Увеличение ** твердость кальция ** (Если вода очень мягкая) это общая стратегия, как наличие $\text{Ca} \text{²⁺}$ ионы необходимы для формирования плотного, чешуйчатый $\text{CaCO} \text{₃}$ компонент, стабилизирующий общий пассивирующий слой.

2. Химические ингибиторы коррозии (Инструмент первичного смягчения)

Ингибиторы - это химические соединения, добавленные в следовые количества, которые прерывают процесс электрохимической коррозии. Они классифицируются на основе их защитного механизма:

а. Анодные ингибиторы (Формирование фильма)

Эти соединения образуют защитный барьер специально на анодном (кормовая) сайты, Эффективно поляризует металлическую поверхность.

Фосфаты: Самый распространенный класс, используемый сегодня, Особенно ** ортофосфаты ** ($\text{PO} \text{₄} \text{^3-}$). Они реагируют с растворенными ионами металлов ($\text{Zn} \text{²⁺}$, $\text{Fe} \text{²⁺}$) сформировать нерастворимый, тонкая пленка ($\text{Zn} \text{₃}(\text{PO} \text{₄}) \text{₂}$ или $\text{Fe} \text{₃}(\text{PO} \text{₄}) \text{₂}$) прямо на стене трубы. Цель - ** цинк -ортофосфат ** пленка, которая обеспечивает сильный, стабильная защита.
Силикаты: Исторически используется, Силикаты образуют очень нерастворимые пленки, которые блокируют доступ агрессивных ионов к металлической поверхности. Их эффективность часто повышается в сочетании с другими ингибиторами.

б. Катодные ингибиторы (Замедление снижения кислорода)

Эти ингибиторы замедляют катодическую реакцию (уменьшение кислорода), Эффективно контролировать ток, который движет коррозией.

Полифосфаты: Эти функции как секвестарирующие агенты, Предотвращение образования громоздких гидроксида железа осадков ($\text{Fe}(\text{OH}) \text{₃}$) что в противном случае формировало бы бугорки. Они держат металлические ионы растворимы, сокращение видимого “красная вода” проблема, но, как правило, менее эффективны при непосредственной остановке потери металлов, чем ортофосфаты. Часто, ** смесь орто- и полифосфаты ** используются для обеспечения как немедленного предотвращения коррозии (орто) и секвестрация (поли).

с. Смешанные системы ингибиторов

Современная практика редко использует единый ингибитор. Исследования фокусируются на оптимизации синергетических смесей, такой как:

Ортополифосфатные смеси: Этот общий подход обеспечивает немедленную пассивацию (орто) Сохраняя воду и чистую (поли), Управление конкурирующими целями защиты и ясности воды.
Фосфатно-силикатные смеси: Они используют упорство силикатов и сильные поляризационные способности фосфатов, часто достигая лучших результатов, чем любое соединение в одиночку, Особенно в более мягкой химии воды.

Будущие направления исследований

В то время как оцинкованная сталь постепенно выводит в новую строительство, Управление миллионами километров существующих оцинкованных трубопроводов остается серьезной проблемой. Будущие исследования должны сосредоточиться на:

Влияние биопленки: Сложное взаимодействие между ингибиторами, коррозионные продукты, и микробные биопленки до сих пор не до конца понятны. Биопленки могут потреблять кислород или создавать локализованные кислотные условия, ускорение коррозии даже при наличии ингибиторов.
Усовершенствованный мониторинг: Разработка неинвазивных, Методы мониторинга в реальном времени (например, Электрохимический анализ шума, Модели прогнозирования машинного обучения) Чтобы точно оценить скорость истончения и целостность слоя цинка на месте.
Зеленое запрещение: Отказ от традиционных ингибиторов на основе фосфора, которые способствуют водной эвтрофикации, к более экологичному, нетоксичные альтернативы, полученные из натуральных продуктов или специализированных органических соединений.