Коррозия нержавеющей стали в бассейне: причины и факторы возникновения, меры борьбы, уход за закладными из нержавейки

Содержание

Нержавеющую сталь применяют там, где к стойкости компонентов предъявляются повышенные требования из-за жестких условий эксплуатации. Это может показаться странным, но бассейн – водный объект с не самыми простыми условиями для оборудования. Растворенные в воде окислители (хлор, озон, кислород), высокая температура, иногда подсоленная или морская вода, постоянный приток органических и микробиологических примесей – все это создает особые условия и требует стойкости оборудования к коррозии.

Нержавеющие стали, вопреки своему названию (и это часто вызывает неподдельное удивление потребителя), также подвержены коррозионным процессам.

Ниже мы попробуем рассказать о причинах возникновения этих процессов, факторах, влияющих на скорость их протекания, а также мерах по предотвращению. Обзор сфокусирован на особенностях эксплуатации изделий из нержавеющей стали в условиях плавательных бассейнов и не охватывает других областей и условий эксплуатации.

Что такое нержавеющая сталь и почему она не ржавеет

Металлический сплав состоит из нескольких элементов, помимо собственно железа - обычно это хром, никель, молибден, марганец, титан и другие. Марганец улучшает прочность и твердость стали, медь и никель улучшают стойкость стали к атмосферным воздействиям, а хром определяет коррозионностойкие свойства. Как правило, сплав считается «нержавеющим», если содержание хрома превышает 12%.

Для закладных деталей, декоративных элементов и оборудования водоподготовки бассейна чаще всего используются аустенитные сплавы 300-х серий – AISI 304, AISI 316. Под воздействием кислорода – в воздухе или воде, хром естественным образом образует оксид, который тонкой пленкой покрывает поверхность сплава, придавая ему нержавеющие свойства.

Стабильность этого слоя – залог долгой службы изделий из нержавеющей стали. При повреждении оксидного слоя защитные свойства стали снижаются, хотя повторное воздействие кислорода довольно быстро его восстанавливает.

К содержанию

Почему иногда она все-таки ржавеет

В системах водоснабжения наиболее распространены два типа коррозии – щелевая и точечная (питтинговая). Оба вида представляют собой вариант электрохимической коррозии, когда на поверхности сплава возникает электрохимическая пара – анод и катод. Во всех случаях это приводит к нарушению оксидного слоя металла и как следствие – коррозионному разрушению.

Щелевая коррозия

Щелевая коррозия образуется на стыке соединения металл-металл (или металл-другой материал), которые создают разность концентраций кислорода внутри и снаружи щели. Низкая концентрация кислорода внутри щели ослабляет защитную оксидную пленку, заключенную между контактирующими поверхностями.

Когда оксидный слой ослабевает, положительные ионы хрома, железа и никеля из поверхностных слоев сплава диффундируют внутрь щели и объединяются с отрицательно заряженными гидроксид ионами ОН^- из водного раствора. Это приводит к электрически несбалансированному соотношению, в результате чего внутри щели образуется анод, а на поверхности металла — катод.

Это усугубляется при наличии в воде хлоридов (например, в солоноватой воде). По мере того как рН внутри щели падает, хлорид-ионы из основного раствора диффундируют в щель, чтобы сбалансировать реакцию анодного окисления путем соединения с ионом водорода. Снижение pH увеличивает потенциал для разрушения пассивного слоя и начала щелевой коррозии.

Фактором, определяющим возникновение щелевой коррозии, является размер щели (для 304 стали это 1 микрон или меньше), а скорость ее развития - содержание хлоридов, значение pH и количество растворенного в воде кислорода.

К содержанию

Точечная (питтинговая) коррозия

Точечная коррозия, подобно щелевой, связана c образованием электрохимической пары и последующим разрушением оксидного слоя. Разница состоит в том, что процесс начинается в точке локального повреждения оксидного слоя. Это повреждение может быть:

механического характера – порезы, царапины или воздействие жесткими абразивами в процессе эксплуатации;
химического характера – например при воздействии высоких концентраций кислот, хлора, агрессивных чистящих средств;
вокруг включений на поверхности сплава – оставшиеся после технологических операций или возникшие в процессе монтажа/эксплуатации (например, искры от сварки или болгарки) или осажденные частицы железа из воды;

Дальнейшее процесс активируется в присутствии хлоридов. Разрушение оксидной пленки в точке повреждения высвобождает положительно заряженные ионы металлов (точка повреждения становится анодом), которые притягивают отрицательно заряженные хлорид-ионы из водной среды, образуя хлориды металлов. Это создает локальное снижение рН и ускоряет коррозионное воздействие. Повышенная температура и высокие концентрации хлоридов еще больше ускоряют этот процесс.

К содержанию

Факторы, влияющие на развитие коррозии

Дальше поговорим о тех факторах, которые выступают драйверами коррозионных процессов.

Конструкция изделия и технология изготовления

Под воздействием высокой температуры – при сварке, лазерной резке – происходит нарушение оксидного слоя, а также вынос на поверхность частиц железа, поэтому обязательной частью технологического процесса является пассивация и обработка поверхности нержавеющей стали, т.е. удаление свободных соединений железа с поверхности металла и последующее формирование пассивного (инертного) поверхностного слоя. Для этих целей производители используют механические, химические и электрохимические методы.

Методы сварки и качество сварных соединений, контакт между различными металлами, наличие и геометрия щелей также влияют на способность металла образовывать и сохранять защитную пленку оксида хрома. Все это лежит в зоне ответственности производителя оборудования.

К содержанию

Вода бассейна: свободный хлор и хлориды

Теперь поговорим про, пожалуй, самый значимый фактор, влияющий на стойкость нержавеющей стали в условиях плавательного бассейна – содержание свободного хлора и хлорид-ионов.

Хлор по-прежнему основной (а в случае общественных бассейнов – обязательный) окислитель в плавательных бассейнах. Его концентрация поддерживается на уровне не менее 0,3-0,5 мг/л (0,1-0,3 мг/л для комбинированных методов обработки). При проведении шокового (ударного) хлорирования концентрация свободного хлора повышается до 3-5 мг/л и более.

Нержавеющие стали марок AISI 304 и AISI 316 могут выдерживать кратковременные (24-48 часов) концентрации свободного хлора до 2 и 4 мг/л соответственно – но при отсутствии в воде хлоридов. Концентрация хлоридов в сочетании с концентрацией свободного хлора имеет решающее значение, так как вместе они оказывают синергетическое действие на процессы коррозии. При этом наличие в воде растворенного кислорода усиливает эти процессы.

Источником хлорид-йонов в воде бассейна могут быть:

• продукты окисления, образующиеся в ходе реакций хлор-реагентов (гипохлорита) с примесями;

• хлорид-ионы в составе соли NaCl, которая дополнительно дозируется при обеззараживании методом электролиза или в составе соляной кислоты (pH-минус), если она используется для корректировки pH;

• хлориды естественного происхождения в воде с богатым минеральным составом и особенно в морской воде, где хлориды составляют основную долю (почти 80%) всех остальных растворенных солей.

В бассейнах, которые эксплуатируются с нарушением требований по доливу и разбавлению свежей водой хлориды накапливаются – обычно это ощущается на вкус, вода приобретает солено-горьковатый привкус. ПДК по хлоридам для питьевой воды установлен на уровне 350 мг/л – они неопасны, но как уже было сказано, влияют на вкус воды.

К содержанию

Выбор марки нержавеющей стали в зависимости от состава воды

Рекомендации по применению нержавеющей стали в водных индустриях (Guidelines for the Use of Stainless Steel in the Water and Desalination Industries, Water Research Foundation 2015) указывают, что в водах с рН 6,5–8,0 коррозия редко возникает:

• Нержавеющая сталь 304/304L – при концентрации хлоридов до 200 мг/л и концентрации свободного хлора менее 2 мг/л;

• Нержавеющая сталь 316/316L – при концентрации хлоридов до 1000 мг/л и концентрации свободного хлора менее 4 мг/л.

Ниже на схемах представлен алгоритм выбора марки стали в зависимости от содержания свободного хлора и хлоридов. Обратите внимание, что концентрации хлоридов взяты с 2-кратным запасом, концентрация свободного хлора дана без запаса.

Для подсоленной и морской воды с содержанием хлоридов от 2 000 до 10 000 мг/л и более требуется применение дуплексных и супердуплексных сталей.

*Индекс PREN (Pitting Resistant Equivalent Number – Численный эквивалент стойкости к коррозии) рассчитывается по формуле:

PREN = % Cr + 3.3 × % Mo + 16 × % N

В этой формуле процент вклада ключевых элементов (по массе) – хрома, молибдена и азота – эмпирически связан со способностью сплава сопротивляться точечной коррозии. Чем выше значение PREN, тем более устойчив сплав к возникновению питтинговой коррозии.

К содержанию

Бактерии и биопленки в процессе эксплуатации

Бактерии встречаются в различных водах и почвах и иногда они могут быть представлять угрозу для оборудования из стали (как, например, сульфатредуцирующие или железобактерии).

Также источником электрохимической коррозии в условиях бассейна могут служить биопленки. Биопленки - это колонии микроорганизмов, которые в условиях застойных зон могут прикрепляться к поверхностям, имеющим постоянный контакт с водой. Закрепившись, бактерии начинают выделять клейкое вещество, которое покрывает колонию и надежно защищает от внешних воздействий.

В среде биообрастаний прекрасно живут и активно размножаются и патогенные микроорганизмы, такие как Legionella pneumophila и Pseudomonas spp., которые являются возбудителями болезней у человека. После того, как колония микроорганизмов закрепляется на поверхности, становится очень трудно, а порой невозможно полностью ее убрать. Дезинфицирующие средства, прекрасно справляющиеся с этими же бактериями в массе воды, оказываются неэффективными при попытке воздействовать на их скопления, так как неспособны полностью разрушить верхний слой слизи, которая покрывает колонию и препятствует проникновению дезинфектанта.

Биообрастаниям больше подвержены поверхности из ПВХ, чем из стали, хотя ни один из материалов не подавляет их рост полностью. При формировании биопленок на поверхности стали могут развиваются анодные и катодные участки, образуя очаг электрохимической коррозии.

К содержанию

Разнородные металлы и гальваническая коррозия

Два металла, электрически соединяющиеся друг с другом при погружении в водную среду, создают электрическую ячейку, которая допускает гальваническую коррозию. Потенциал выражается как напряжение. Металл с самым высоким напряжением является защищенным от коррозии катодом, на котором идут процессы восстановления, а другой - расходуемым анодом, на котором происходят процессы окисления. Чем больше разность потенциалов, тем больше движущая сила гальванической коррозии.

Ионная сила (количество ионов в воде) и электропроводимость раствора также влияют на коррозионные характеристики системы, поэтому вода с высокой концентрацией солей в целом и хлоридов в частности обладают более высокой ионной силой и электропроводимостью, чем растворы деминерализованной воды. Очевидно, что низкий pH (кислая среда), повышенная температура и содержание кислорода в воде также способствуют протеканию гальванических процессов и инициированных ими процессам окисления.

Главная мера защиты от гальванической коррозии заключается в предотвращении соединения двух разнородных металлов на этапе проектирования или монтажа оборудования.

Но гальваническая коррозия и возникновение пары анод-катод не всегда происходит только при соединении разнородных металлов. Достаточно возникновения разницы потенциалов, которая может возникнуть при отсутствии или неправильно выполненном заземлении закладных деталей чаши бассейна (в этой статье писали об этом поподробнее). Согласно ГОСТ Р 50571.7.702-2013 все закладные элементы из нержавеющей стали рекомендуется заземлять:

702.415.2 Дополнительная защита: дополнительное уравнивание потенциалов

Все сторонние проводящие части в зонах 0, 1 и 2 должны быть присоединены защитными проводниками уравнивания потенциалов к защитным проводникам открытых проводящих частей оборудования, расположенного в этих зонах.

Примечание 1 — Соединение с защитным проводником рекомендуется выполнять в непосредственной близости от места расположения объекта, например в щите управления или распределения или в другом оборудовании.

Примечание 2 — Сторонние проводящие части — проводящие части, не являющиеся частью электрической установки, но на которых возможно появление элекгрического потенциала, включая электрический потенциал локальной земли; для настоящего стандарта это потенциал, занесенный извне по отношению к зонам 0, 1 и 2 в эти зоны.

Примечание 3 — Такими частями могут быть, например:

• металлические трубопроводы для водоснабжения, водоотведения, газа, отопления, климатконтроля;

• металлические конструкции зданий;

• металлические конструкции ванны;

• металлическое укрепление неизолированных полов;

• металлическая арматура железобетонной ванны.

ГОСТ Р 50571.7.702-2013 Электроустановки низковольтные Часть 7. Требования к специальным установкам или местам их размещения Раздел 702. Плавательные бассейны и фонтаны

Тем не менее, бывает так, что изделие правильно заземлено и имеет отрицательный потенциал, но присутствует ржавый налет, который удаляется механически, появляясь со временем снова. Это может говорить о том, что в бассейне находится незаземленный металлический элемент с положительным потенциалом, который разрушается, теряя частицы, которые в виде налета попадают на поверхности закладных. Со временем такой налет жестко закрепляется и удалить его становится сложно. Источником может быть металлическая труба подпитки бассейна, либо любой другой элемент в контуре фильтрации или аттракционов. Эти элементы необходимо найти и заземлить в одном контуре с закладными.

Одним из способов защиты от гальванической коррозии является электрохимическая защита – когда к изделию извне подключается электрический ток (источник постоянного тока или протектор) и анодные (разрушающиеся) участки на поверхности защищаемого металла становятся катодными (восстанавливающимися). В зависимости от того, в какую сторону смещается потенциал металла, электрохимическую защиту подразделяют на анодную и катодную. Например, системы XENOZONE SCOUT для общественных бассейнов укомплектованы активной анодной защитой.

Управление параметрами воды – в первую очередь, значением pH, содержанием солей (минерализацией), жесткостью также позволяет если не остановить, то замедлить процессы коррозии. Также стоит отметить, что в щелочных средах отложение слоев бикарбонатов кальция Ca(HCO3)2 на поверхности нержавеющей стали может выступать защитным механизмом, оказывая экранирующее действие.

К содержанию

Эксплуатация и уход за изделиями из нержавеющей стали

В процессе монтажа и эксплуатации оборудования важно исключить воздействие факторов, которые могут спровоцировать коррозионные процессы.

Строительство бассейна часто растягивается на продолжительный период времени – и завоз оборудования редко совпадает с его монтажом. Поэтому изделия из нержавеющей стали до момента монтажа и запуска бассейна должны храниться упакованными, защищенными от осадков и внешних воздействий. Контакт с разнородными металлами, строительными смесями, хим. реагентами должен быть исключен. Во время проведения сварочных работ изделия должны быть надежно защищены от попадания брызг расплавленного металла и искр.

В процессе эксплуатации необходимо контролировать содержание свободного хлора и особенно – хлоридов. Ручное дозирование хлор-реагентов вблизи изделий из нержавеющей стали исключено – это вызовет локальные избыточные концентрации свободного хлора.

Для текущего ухода за изделиями и очистки от кальциевых отложений должны использоваться только специализированные средства, предназначенные для нержавеющей стали – обычно на основе лимонной, азотной или ортофосфорной кислоты – такие специализированные средства для ухода за нержавеющей сталью есть в ассортименте производителей химии для бассейнов. Жировые загрязнения (следы прикосновения на полированной поверхности) можно убрать этиловым спиртом. Для механической очистки используют мягкие синтетические щетки, ткани, салфетки, губки без жестких абразивных вкраплений.

Не допускается использовать средства на основе соляной кислоты, абразивные материалы, жесткие металлические щетки. Бытовые средства, содержащие хлор, использовать с осторожностью – они могут содержать его избыточные концентрации.

Поверхностный коррозионный налет можно снять с использованием средств на основе азотной или ортофосфорной кислоты. Если же на изделии образовались глубокие повреждения, следы «проедания» металла – то потребуется механическое удаление повреждений (шлифовка/полировка) с обязательной последующей обработкой для восстановления пассивного слоя – чаще всего это осуществляется специальными травильными составами с высокой концентрацией кислот с последующей нейтрализацией щелочью – эти мероприятия требуют особых мер безопасности и их лучше осуществлять в заводских условиях.

При подготовке обзора использовались Рекомендации по применению нержавеющей стали в водных индустриях (Guidelines for the Use of Stainless Steel in the Water and Desalination Industries, Water Research Foundation 2015), наш опыт и материалы открытых интернет-источников.

Наверх

Ксения Добровольская

Специалист по развитию продукта

XENOZONE Инженерно-технический центр "Комплексные исследования"

Перепечатка материалов возможна с указанием первоисточника