Биостойкости материалов

Биологическому обрастанию подвержены Б той или иной степени все металлы. В наименьшей степени обрастают медь и ее сплавы, содержащие высокий процент меди, что связано с токсичностью ионов меди. В наибольшей степени подвержены обрастанию алюминий и его сплавы. Если медь или медный сплав корродирует со скоростью не менее 5 мг/(дмг-сут), т.е. около 0,03 мм/год, то выделяется достаточное количество ионов меди, чтобы обрастание не происходило.

Мышьяковистая медь (99,4% Си, 0,35% As, 0,03% Р) имеет высокую теплопроводность и хорошо противостоит биологическому обрастанию. Однако она недостаточно стойка к действию сульфидов, эрозионно-коррозионного разрушения (ударной коррозии) и коррозии под действием аммиака, содержащегося в паре.

интенсивному биологическому обрастанию и щелевой коррозии.

Медь и ее сплавы наряду со сплавами железа широко использовались человеком с древних времен. Медь имеет положительное значение термодинамического потенциала по отношению к обратимому водородному электроду (+0,52 В для Cu-*-Cu+ и +0,35 В для Cu-*-Cu2+) и поэтому обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в пресной и в морской воде при небольшой скорости движения, в большинстве кислот, кроме окислительных, в ряде органических соединений. Опасно для меди присутствие в атмосфере и в воде примесей аммиака и его производных. Важным свойством меди и ее сплавов, определившим их широкое применение в морских условиях, наряду с хорошей коррозионной стойкостью является неподверженность биологическому обрастанию в морской воде. Технически чистая медь марок МО—М4, отличающихся различ-

Если нержавеющие стали предполагается использовать в условиях полного погружения, то для предупреждения разрушения металла необходимо принять специальные меры защиты. Необходимо либо обеспечить поддержание пассивности, либо использовать катодную защиту. Большая скорость потока морской воды у поверхности металла позволяет обеспечить приток свежего кислорода, необходимого для пассивации, что ускоряет залечивание дефектов защитной окисной пленки. Быстрый поток, кроме того, препятствует биологическому обрастанию. В неподвижной воде важным средством борьбы с коррозией является катодная защита, позволяющая предотвратить опасность возникновения и развития щелевой, питтинговой, туннельной и кромочной коррозии, а также всех видов селективного разрушения металла.

Как видно из табл. 17, в неподвижной воде на малых глубинах нержавеющие стали 302, 321 и 316 подвержены сильной локальной коррозии. На больших глубинах коррозионное поведение сталей 304 и 316 меняется, однако при этом часто также наблюдается локальное разрушение (табл. 19). Нержавеющие стали в этих условиях склонны к биологическому обрастанию, причем в гораздо большей степени, чем, например, медноникелевые сплавы [32].

В зоне прилива и на малых глубинах поверхность никелевых сплавов подвергается биологическому обрастанию, например усоногими раками и моллюсками. Это затрудняет поддержание пассивности никеля и сплавов никель — медь, никель — хром — железо и никель — хром. Однако сплавы системы никель — хром — молибден сохраняют пассивность в зоне прилива и при обрастании.

Пассивность никеля при полном погружении в морскую воду может поддерживаться в быстром потоке. Средняя скорость коррозии никеля в условиях погружения может достигать 130 мкм/год [4]. В неподвижной воде никель подвержен биологическому обрастанию и под образовавшимся слоем, так же как и в щелях, может происходить необратимая потеря пассивности. При 16-летней экспозиции в Тихом океане средняя скорость коррозии никеля, определенная по потерям массы, была равна 30,7 мкм/год (см. табл. 28) [40]. Однако уже после первого года экспозиции наблюдалась перфорация пластин толщиной 6,35 мм в результате локального питтинга. На больших глубинах средние скорости коррозии никеля составляли от <2,5 до 46 мкм/год [43]. В щелевых условиях наблюдалась перфорация образцов всего за 197 дней. При этом общая поверхностная коррозия была очень мала, а все коррозионные потери приходились на питтинг. Наблюдалась

Никель—медь. В конструкциях, работающих в быстром потоке морской воды, такие сплавы, как Монель 400 и Монель К.500, демонстрируют прекрасную коррозионную стойкость. Приток кислорода достаточен для поддержания пассивности, а большая скорость движения воды препятствует биологическому обрастанию. Результаты испытаний в быстром потоке, представленные в табл. 29, показывают, что оба сплава Монель значительно более стойки к коррозии в таких условиях, чем стали и сплавы на основе меди.

К тугоплавким металлам, рассматриваемым здесь, относятся тантал, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, ванадий, гафний и хром. Данные о коррозионном поведении этих металлов в морских средах сравнительно немногочисленны. Однако известно, что все эти металлы обладают великолепной стойкостью в различных агрессивных условиях. В химических свойствах тугоплавких металлов много общего. Наиболее важным является способность образовывать на поверхности тонкую плотную пассивную окисную пленку. Именно с этим свойством связана высокая (от хорошей до отличной) стойкость тугоплавких металлов в солевых средах. При экспозиции в океане все эти металлы подвержены биологическому обрастанию, однако большинство из них достаточно пассивны и сохраняют стойкость даже при наличии на поверхности отложений.

жены биологическому обрастанию в такой же мере, как нержа-

В химической промышленности широко применяются трубы из алюминиевых сплавов. При движении потока воды со скоростью до 3 м/с коррозионные и эрозионные потери алюминия незначительны и использование таких труб целесообразно. Однако алюминиевые трубы склонны к биологическому обрастанию в большей степени, чем латунные, особенно при невысоких скоростях движения воды. Для борьбы с обрастанием воду хлорируют до содержания хлора в воде 0,5—1 мг/л. При таком содержании хлора (см. гл. 7) не интенсифицируются коррозионные процессы на поверхности алюминия. Водородный показатель (рН) воды при хлорировании изменяется от 4 до 9.

Представляют интерес результаты работ по оценке биостойкости материалов и покрытий, нанесенных на металлические подложки, полученные при использовании штаммов грибов, рекомендованных МЭК и ГОСТ 9.048—75.

Оценку биостойкости материалов нужно проводить с использованием штаммов микроорганизмов, выявленных в условиях эксплуатации техники. Для предварительных и сравнительных испытаний можно использовать штаммы, рекомендованные ГОСТ 9.048 — 75.. .ГОСТ 9.053 — 75. На этом этапе целесообразно применение мероприятий по очистке поверхностей металлоконструкций составами, включающими биоциды.

Основная цель испытаний — установление соответствия биостойкости материалов, покрытий и биозащищенности машин и сооружений внешним факторам среды, а также обоснование общих технических требований к новым материалам и покрытиям в части их биостойкости и к методам защиты проектируемых конструкций от биоповреждений.

Исследования микроорганизмов включают: идентификацию их до вида; исследование морфологических, культуральных и физиологических признаков; характер взаимодействия с другими видами, родами и группами; определение адаптации и особенностей изменчивости; исследование продуктов метаболизма; изучение биохимических особенностей и эффектов воздействия на различные материалы; исследование условий стимулирования и подавления развития, выявление биоцидов и биостатических веществ; определение опасности для человека и теплокровных; принятие решения о депонировании и использовании микроорганизмов в качестве тест-культур для испытания биостойкости материалов и покрытий, в качестве продуцентов, стимулирующих или ингиби-рующих повреждения материалов (коррозию, старение и т. п.); определение целесообразности патентования и стандартизации новых штаммов культур с учетом их полезных свойств.

Определение биостойкости материалов и покрытий в условиях, приближенных к эксплуатационным, проводят непосредственно в коррозионных камерах (вне чашек Петри) при температуре 20...30°С, относительной влажности 95...99 % и необходимой агрессивности среды, например СА до 0,1 мг/л.

Определение биостойкости материалов и покрытий рекомендуется проводить контактным методом. Этот метод можно отнести к перспективным. Испытание биостойкости новых материалов и покрытий контактным методом осуществляют в два этапа: вначале на известных биологически нестойких материалах (покрытиях) выращивают колонию микроорганизмов; затем поверхность нового, испытуемого, материала (покрытия) вводят в контакт с поверхностью или частицами материала (покрытия), содержащими развитые колонии микроорганизмов. Преимущество метода — сокращение времени испытания на второй стадии 7 сут. по сравнению с 30—45 сут. обычным методом.

О биостойкости материалов можно судить по действию на них ферментов тех микроорганизмов, которые идентифицированы в данных условиях эксплуатации. Коррозию металлов в этом случае называют микробиогенной (или ферментативной). Целесообразно проверять стабильность материалов относительно определенных классов ферментов (дегидрогеназы, оксидазы, гидролазы и др.). Эти испытания можно отнести к ускоренным или экспресс-методам. Так как ферменты действуют на материалы быстрее, чем микроорганизмы, возможно увеличение концентраций ферментов для интенсификации процесса; возможно моделирование условий ферментативных реакций и выявления действительного характера процесса (при сравнении с протекающими в реальных условиях); возможна оценка ингибиторного действия биоцидных веществ [7, с. 68].

Внедрение мероприятий по повышению биостойкости материалов, покрытий и защищенности металлоконструкций от биоповреждений позволяет увеличить долговечность техники и сооружений, что отвечает основным задачам настоящего времени.

Технико-экономическая эффективность мероприятий по повышению биостойкости материалов, покрытий и защищенности от биоповреждений металлоконструкций в целом определяется технической, экономической, экологической целесообразностью и экономической эффективностью.

32. Методы определения биостойкости материалов. М.: Наука, 1979. 200 с.