Введение
Повышенная коррозионная агрессивность сред животноводческих помещений приводит к ускоренному разрушению монтируемых на фермах и комплексах машин, оборудования и других металлоизделий. Это часто является основной причиной преждевременного выхода их из строя или отказов в работе. Выбывшие машины и металлоконструкции приходится заменять новыми или останавливать на длительный ремонт. Кроме электрохимической коррозии, обусловленной газовым составом микроклимата ферм, в животноводческих помещениях имеются благоприятные условия для биологической коррозии. Высокая влажность, присутствие в воздухе пыли органического и минерального происхождения, положительные значения температуры, отсутствие ультрафиолетовых лучей создают благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов: бактерий, плесени, грибков и др. В воздухе животноводческих помещений может находиться до 100 видов различных микроорганизмов. Насыщенность ферм микрофлорой находится в пределах 410…730 колоний в 1 м3 воздуха. Микробное число навозных стоков составляет 5,5×106…8×107. Наиболее опасными для возникновения коррозии металлов являются такие виды микроорганизмов, как сульфатовосстанавливающие, сероокисляющие, железистые, водородосвязующие и некоторые другие, образующие слизистые осадки на металле [3]. Из общего числа повреждений, причиняемых работающим в атмос-ферных условиях материалам и изделиям, 15 – 25% приходится на долю биологических воздействий. Что касается животноводческих помещений, то в отдельных случаях биологическая коррозия в них может оказывать такое же воздействие на оборудование, как и электрохимическая. Это требует создания полифункциональных ингибиторов коррозии, способных защитить металлические поверхности машин и оборудования от всех видов коррозии в животноводстве [2]. Скорость коррозионного разрушения находящихся в животноводческих помещениях машин и оборудования, санитарно-технических систем и стойлового ограждения зависит от агрессивности микроклимата ферм, применяемых для их изготовления металлов и проводимых мероприятий по антикоррозионной защите.
Материалы и методы
Параметры микроклимата животноводческих комплексов для про-мышленного ведения животноводства с высокой концентрацией скота на небольших площадях и в одном зда¬нии приведены в таблице 1 [1]. В воздухе ферм содержатся метан, меркаптаны, микрочастицы солей хлоридов. Химический состав газовой среды зависит, прежде всего, от вида животных, находящихся в помещении, способов кормления и режимов работы систем вентиляции и навозоудаления. Таблица 1 – Параметры микроклимата различных типов животноводческих помещений При наличии в воздухе животноводческих помещений паров воды процесс коррозии металлов происходит под невидимым слоем влаги, образующимся на поверхности в результате капиллярной, адсорбци¬онной или ионной конденсации. Для каждого металла определено критическое значение относительной влажности (для железа – примерно 70%). При относительной влажности выше критической наблюдается резкое увеличение скорости коррозии, которая находится в определённой зависимости и от толщины слоя влаги на поверхности металла. Интенсивнее всего коррозия происходит при толщине слоя влаги 1…5 мкм. При дальнейшем утолщении конденсированного слоя наблюдается снижение интенсивности коррозионного разрушения из-за затруднения диффузии кислорода через утолщённый слой. Влияние фактора температуры на скорость коррозии металлов неоднозначно. Его нельзя рассматривать отдельно, в отрыве от других факторов: влажности, присутствия в микроклимате агрессивных примесей и др. В сухом микроклимате наличие агрессивных компонентов (пыль, газообразные примеси) не оказывает существенного влияния на ход коррозионных процессов. Однако во влажной атмосфере скорость коррозии в их присутствии заметно возрастает. Так, на не защищённой от пыли поверхности образцов быстрее появлялась ржавчина, чем на закрытых образцах. Гигроскопические частицы пыли, осаждаясь на металлической поверхности, образуют микроскопические гальванопары, которые способствуют более интенсивному корродированию по сравнению с воздухом, не содержащим пыли. Аммиак является основным веществом, вызывающим щелочную реак-цию конденсата в животноводческих помещениях. Углекислый газ, рас-творяясь в слое конденсационной плёнки на металлических поверхностях, образует угольную кислоту, которая может снижать водородный показатель и таким образом облегчать процесс водородной деполяризации. Сероводород в соответствующих условиях превращается в сернистую или даже серную кислоту. Сам сероводород и продукты его превращения приводят к усиленному коррозионному разрушению вследствие образования серных соединений железа.
Результаты
Большое влияние на скорость коррозии металлов оказывает присутствие в воздухе сернистого газа. При наличии последнего коррозионные процессы под тонкими плёнками электролита значительно ускоряются, так как сернистый газ в этих условиях проявляет себя как активатор электродных реакций. Под адсорбционными плёнками влаги в присутствии сернистого газа увеличивается скорость катодной реакции. На скорость коррозии влияет также присутствие в воздухе микрочастиц солей, особенно солей хлоридов, 50 мг/л которых достаточно для коррозионного разрушения даже нержавеющей стали [5]. Коррозионное разрушение машин и оборудования в животноводческих помещениях происходит и при их контакте с навозом и навозными стоками, дезинфицирующими средствами, кормами и кормовыми добавками. Так, бесподстилочный навоз имеет влажность 88% и содержит 0,25…0,32% соединений фосфора, 0,48…0,67% – калия, 0,21…0,45% – кальция, 0,06…0,15% – серы, 0,04…0,17% солей хлоридов и др. Влажность навозных стоков свыше 97%, и поэтому в них содержится в 2 раза меньше соединений фосфора, калия, кальция, серы и хлоридов, чем в бесподстилочном навозе. В сенаже и силосе обнаруживаются молочная, уксусная и масляная кислоты, соединения кальция и фосфора, аммиак и другие коррозионноагрессивные компоненты [3]. К этой же группе следует относить и условия эксплуатации металлоизделий при контакте с жидкой навозной средой, влажными и полувлажными кормами, кормовыми добавками и дезинфицирующими средствами. Развитие процесса коррозии в животноводческих помещениях при длительной эксплуатации металлоконструкций определяется не только характером микроклимата, но и свойствами образовавшихся продуктов коррозионного разрушения. Неодинаковое поведение металлов объясняется тем, что в разных условиях образуются продукты коррозии, обладающие различными свойствами. Например, торможение коррозионного разрушения после длительных сроков эксплуатации обусловлено образованием значительной толщины слоя продуктов коррозии, проявляющих защитные свойства. Их защитная способность определяется адгезией к поверхности металла, структурой кристаллической решётки, химическим составом, толщиной слоя, физико-химическими свойствами и др.
Результаты
Одним из основных конструкционных материалов, применяемых для изготовления монтируемых в животноводстве металлоизделий, является низкоуглеродистая сталь. Наибольшая скорость коррозии для изделий, изготовленных из стали марки Ст. 3, наблюдается в тех животноводческих помещениях, где зафиксирована самая высокая относительная влажность (таблица 2). Таблица 2 – Скорость коррозии изделий, изготовленных из стали марки Ст. 3 и применяемых в различных типах животноводческих помещений Высокая влажность способствует образованию микроконденсационных плёнок влаги на металлических поверхностях, в которых растворяются компоненты микроклимата, увеличивая его коррозионную агрессивность. Коррозия изделий в животно¬водческих помещениях протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. В ряде случаев на поверхности стали могут образовываться различной глубины питтинги. Зависимость скорости коррозии углеродистой стали марки Ст. 3 от времени нахождения в условиях животноводческих помещений представлена на рисунке 1 [3]. На начальной стадии коррозия протекает медленно, затем её скорость резко возрастает, проходит через максимум и уменьшается по мере утолщения слоя продуктов коррозии. Это объясняется тем, что в первые месяцы наблюдений, когда происходит разрушение первичной оксидной плёнки на образцах, коррозия стали незначительна. С увеличением площади её разрушения скорость коррозии возрастает, и когда вся незащищённая оксидной плёнкой поверхность металла контактирует с агрессивными компонентами микроклимата ферм, она резко увеличивается. Экспериментально наблюдаемое торможение скорости коррозии объясняется деполяризующими свойствами продуктов коррозии и при заметном утолщении их слоя – электрохимическим экранированием активной поверхности образцов. Рисунок 1 – Зависимость скорости коррозии углеродистой стали марки Ст. 3 от времени в различных животноводческих помещениях: 1 – в телятнике; 2 – в животноводческом комплексе; 3 – в свинарнике-маточнике Анализ результатов исследований показывает, что динамика коррозионного разрушения оборудования в животноводческих помещениях во всех частных случаях имеет свои характерные особенности. Хотя скорость коррозии изделий во всех помещениях функционально изменяется во времени в сторону увеличения, прирост коррозионного разрушения по величине различный (рисунок 2). Рисунок 2 – Прирост скорости коррозии углеродистой стали марки Ст. 3 в животноводческих помещениях: 1 – в животноводческом комплексе; 2 – в телятнике; 3 – в свинарнике-маточнике; 4 – в птичнике
Обсуждение
Вначале прирост коррозии протекает с меньшей скоростью, затем возрастает и к концу наблюдения несколько замедляется. На металл действует комплекс факторов, и выявить функциональную зависимость скорости коррозии от каждого из них в естественных условиях практически невозможно. Сложность заключается в том, что в естественных условиях параметры микроклимата (температура, скорость перемещения и др.) изменяются в больших пределах в незначительных интервалах времени. Для борьбы с биокоррозией используются обычные ингибиторы с добавлением в них фунгицидных препаратов [4]. В работе предлагается разработанный препарат, обладающий одновременно и антикоррозионными и фунгицидными свойствами. Объектами исследуемых металлов были выбраны образцы низ-коуглеродистых сталей Ст. 3 и Ст. 10. Подготовку металлов проводили по стандартным методикам. Предварительно подготовленные металлические образцы помещали в газон мицелиальных грибов и выдерживали при температуре +25°С и влажности 90% в течение 20 суток. В аналогичных условиях выдерживали и образцы стали, обработанные ингибитором, представляющим смесь тритерпеновых кислот и липидов, получаемых из растительного сырья [6].
Обсуждение
Контроль проводился на образцах сталей Ст. 3 и Ст. 10, выдерживаемых в стерильной среде, не заражённой спорами грибов и не обработанных ингибитором. Скорость коррозии стали V в ходе исследований определялась под действием музейного штамма Aspergillus niger. Оценку эффективности ингибитора проводили с помощью коэффициента торможения коррозии Y (ингибиторный эффект) и степени защиты Z (защитный эффект). Коэффициент торможения показывает, во сколько раз уменьшается скорость коррозии в результате действия ингибитора: Y=K/Ki, где К и Ki — скорость растворения металла в среде без ингибитора и с ингибитором соответственно, кг/(м2·ч). Степень защиты Z рассчитывали по формуле Z=[(K-Ki)/K]·100, %. При полной защите коэффициент Z равен 100 %. Результаты выполненных исследований приведены в таблице 3. Таблица 3 – Влияние концентрации ингибитора на процесс биокоррозии стали Скорость коррозии контрольных образцов составляла 3,32×10-5 и 3,11×10-5 кг/(м2·ч) для Ст. 3 и Ст. 10 соответственно.
Выводы
Под воздействием Aspergillus niger следы коррозии на образцах стали, необработанных ингибитором, появлялись на вторые- третьи сутки в виде мутного налёта, при этом скорость коррозии возрастала более чем в 50 раз. Обработка стали раствором ингибитора в значительной степени снижала данный процесс. При концентрации ингибитора до 1 г/л скорость коррозии снижалась медленно и не сильно отличалась от скорости коррозии без ингибитора. Защитные свойства ингибитора проявляются при концентрации более 1 г/л, а при концентрации 2 г/л ингибитор полностью подавляет рост грибов на металле и скорость коррозии становится меньше, чем в стерильных условиях. Таким образом, результаты выполненных исследований показали, что использование ингибиторов, получаемых из растительного сырья, позволяет повысить защитный эффект конструкционных материалов до 98% в условиях воздействия биологических факторов.