• Перевод

"Возможно, самая красивая система счисления - это сбалансированная троичная" - Дональд Е. Кнут, Искусство программирования, Издание 2.

Многие знают, что компьютеры хранят данные и работают с ними с помощью двоичной системы счисления. Одно из главных объяснений этому можно найти в схеме современных компьютеров, которые состоят из миллиардов простых и массово производимых транзисторов и конденсаторов, которые могут вместе представлять два состояния: высокое напряжение (1) и низкое напряжение (0).

Такая конструкция сегодня настолько распространена, что трудно себе представить, как компьютеры могут работать иначе. Но, в Советской России 50-х годов они работали иначе. Если вы вдруг не слышали про такое, загуглите "Сетунь " - сбалансированный трехкомпонентный компьютер, разработанный в 1958 году небольшой группой во главе с Брусенцовым, в МГУ.

Перед тем, как говорить о Брусенцове и Сетуни, давайте я немного объясню вам троичную сбалансированную систему счисления.

Сбалансированная троичность

Тернарная или троичная - это система счисления, в которой есть три вероятных значения: 0 , 1 и 2 . В её сбалансированной версии существуют три вероятности -1 , 0 и +1 , часто упрощённые до - , 0 и + соответственно.

В такой форме троичные значения подразумеваются в виде "централизованных" вокруг средней точки 0 . Применяются те же правила, как и к любой другой системе счисления: самый правый символ, R , имеет собственное значение, а каждый последующий символ имеет значение, умноженное на основание B , возведенное в степень равную расстоянию D от R .

Эмм, давайте я просто приведу пример. Давайте запишем 114:

+++-0 = (1 * 3^4) + (1 * 3^3) + (1 * 3^2) + (-1 * 3^1) + 0 = 81 + 27 + 9 + -3 = 114

И в бинарной (двоичной):

1110010 = (1 * 2^6) + (1 * 2^5) + (1 * 2^4) + 0 + 0 + (1 * 2^1) + 0 = 64 + 32 + 16 + 2 = 114

И, для уверенности, те же правила, применённые при десятичной системе счисления:

114 = (1 * 10^2) + (1 * 10^1) + (4 * 10^0) = 100 + 10 + 4 = 114

Что если мы хотим представить -114 ? В двоичной и десятичной системах нам понадобится использовать новый символ: знак (sign). В основной памяти двоичного компьютера это осуществляется либо через хранение ведущего бита, указание знака или значительное уменьшение количества чисел, которые мы можем представить 1 . Именно по этой причине мы говорим о signed и unsigned в языках программирования.

Но в симметричной троичной системе, как мы узнаем позже, чтобы представить обратную величину числа (инвертированное число), нам просто нужно поменять все "+" на "-" и наоборот. Нам не нужна какая-то дополнительная информация, чтобы указать знак!

Вот смотрите:

---+0 = (-1 * 3^4) + (-1 * 3^3) + (-1 * 3^2) + (1 * 3^1) + 0 = -81 + -27 + -9 + 3 = -114

Чуть позже мы увидим, что это и несколько других свойств сбалансированной троичной системы дают нам некоторые очень интересные вычислительные преимущества. Но сейчас, давайте вернемся к разговору о компьютере Сетунь.

Рождение Сетуни

В конце 50-х годов в мире компьютеров был захватывающий период: Натаниэль Рочестер и его команда в IBM недавно разработали первый серийно выпускаемый компьютер с хранящейся в памяти программой, так называемый «современный» компьютер IBM 701 . Джон Бэкус со своей командой изобрели FORTRAN , первый язык программирования высокого уровня, который обрёл широкое применение. И, пожалуй, самое главное - начали развиваться первые целиком транзисторные компьютеры, такие как TX-0 и Philco Transac S-2000 . Было задано направление для разработки двоичных компьютеров, которые позже стали доминировать.

Но это было в Северной Америке.

В то же время в России группа математиков и инженеров под руководством Брусенцова и его коллеги Сергея Соболева разрабатывает другие компьютерные системы 2 . Брусенцов и его коллеги исследуют множество западных компьютеров и технологических достижений, и осмысливают применение транзисторов для представления двоичных данных. Но давайте вспомним, что это СССР - транзисторы не так легко доступны за железным занавесом. А электронные лампы трубки одинаково отстойны как в России, так и на Западе!

Поэтому Брусенцов разрабатывает базовый элемент из миниатюрных ферритовых сердечников и полупроводниковых диодов, который способен работать как регулируемый трансформатор тока. Он оказывается эффективной базой для реализации троичной логики 3 . Было установлено, что эти элементы, по сравнению с их двоичными аналогами, обеспечивают более высокую скорость и надежность и требуют меньше мощности для работы.

Команда из десяти человек буквально построила Сетунь из ничего, работая в небольшой комнате, заполненной лабораторными столами (которые они же сами и построили!). Каждое утро члены команды собирали пять простых машинных элементов. Они брали ферритовые сердечники и, используя обычную швейную иглу, наматывали на каждый по 52 мотка проволоки. Ядра затем передавали техникам, которые завершали процесс сборки и монтировали их в блоки.

Троичная логика была реализована через объединение двух таких ферритовых элементов и подключения их таким образом, что они моделировали три устойчивых состояния. Этот подход был успешным, но количество необходимых элементов не сокращалось, поскольку в действительности два ферритовых сердечника могут потенциально представлять собой два двоичных бита, что в итоге даёт больший объём информации (2 ^ 2), чем один троичный "трит" (3 ^ 1), Печально, но хотя бы потребляемая мощность была снижена!

Сетунь оперирует числами до 18 тритов, то есть один трит может моделировать любое число между -387 420 489 и 387 420 489 . Двоичному компьютеру требуется как минимум 29 битов для достижения такой мощности.

Разработка Сетуни длилась два года, несмотря на то, что система была способна производить операции уже через десять дней с начала испытаний, а в то время подобное было беспрецедентным. Всего было выпущено около 50 машин. И хотя компьютеры Сетунь безотказно работали в течение многих лет в экстремальных российских климатических условиях, проект разрывали противоречия.

В большей степени из-за неспособности завода-изготовителя оправдать массовое производство того, что они расценивали как дешёвую область науки и "плод университетской фантазии". Думаю, можно с уверенностью предположить, что Россия тогда просто была не готова понять потенциальную важность вычислительных машин. В конце концов, машины Сетунь были заменены двоичными аналогами, которые справлялись с вычислениями с той же эффективностью, но стоимость эксплуатации была выше чем в два раза!

Что же особенного в тернарной системе?

Как я уже рассказал, в ней нет необходимости хранить ведущий бит, точнее трит, чтобы указывать знак. А значит, нет понятия целых чисел со знаком или без знака - всё это просто целое число. Таким образом, вычитание достигается простым инвертированием операнда и применением сложения (которое реализуется аналогично компьютерам с двоичной системой). Эта плюс-минус консистенция также может сократить количество переносов, которые требуются для операций умножения.

Ещё одна полезная черта сбалансированной троичной системы (или любой симметричной системы счисления, раз на то пошло) это вероятность реализовать округление чисел с плавающей точкой, явным выделением целой части числа, что даёт возможность упрощённой реализации деления. Это благодаря тому как троичная система выводит дробную часть действительных чисел.

Давайте я приведу простой пример. Перевод в код числа 0.2 выглядит следующим образом:

0.+--+ = 0 + (1 * (3^-1)) + (-1 * (3^-2)) + (-1 * (3^-3)) + (1 * (3^-4)) = 0.33 + -0.11 + -0.03 + 0.01 = 0.2

И для записи 0.8 нужно начать с + в старшем разряде, а затем просто инвертировать дробную часть (например, 1 + -0,2):

+.-++- = 1 + (-1 * (3^-1)) + (1 * (3^-2)) + (1 * (3^-3)) + (-1 * (3^-4)) = 1 + -0.33 + 0.11 + 0.03 + -0.01 = 0.8

Выше видно, что выделение целой части тритов справа от поразрядной точки эквивалентно округлению: 0,2 становится нулём, а 0,8 становится единицей. Круто!

Программирование с тритами и трайтами!

Ок, возвращаемся к Сетуни в последний раз. В конце 60-х Брусенцов разработал более современную машину "Сетунь-70", которая воплотила тернарность более чётко. Было введено понятие "трайт", который состоял из 6 тритов (примерно 9,5 битов). Компьютер Сетунь-70 был стековым , и поэтому вместо машинных инструкций, которые намеренно назвали регистрами для ввода и вывода, все операции выполнялись в двух стеках - одном для операндов (вход) и одном для возвращаемых значений (выход). Для того, чтобы приспособить этот дизайн, машинные инструкции были написаны в обратной бесскобочной нотации (обратной польской нотации или постфиксной записи).

В конце 70-х годов, Брусенцов и несколько его учеников разработали язык программирования для Сетунь-70, который назвали Диалоговая система структурированного программирования (ДССП). Проводя своё исследование 4 , я заметил, что это стек-ориентированный язык (что, правда, совсем не удивительно), аналогичный Forth и использует обратную польскую нотацию. Это позволяет писать программы на языке относительно высокого уровня, но продолжать чувствовать себя "низкоуровнево". Настолько, что у его авторов было следующее сообщение:

ДССП не был изобретен. Он был открыт. Поэтому у языка нет версий, только расширения.

Рассмотрим программу на ДССП, которая складывает группу цифр:

1 2 3 4 DEEP 1- DO +

Давайте попробуем разложить её. В первой колонке у нас команда, во второй - состояние компьютера после выполнения (стека операндов), а в третьей я даю объяснение:

1 Добавить 1 в стек. 2 Добавить 2 в стек. 3 Добавить 3 в стек. 4 Добавить 4 в стек. DEEP Добавить "глубину стека" (4) в стек. 1- [-1 4 4 3 2 1] Добавить -1 в стек. DO Начать цикл, удалить два элемента из стека. Для управления циклом первый элемент применяется ко второму пока не получится 0. + Применить оператор "+" до завершения цикла, каждый раз удаляя верхний элемент из стека операндов, применяя + и добавляя вывод в стек возвратов.

По окончанию исполнения, стек операндов будет пустым, а в стеке возвратов будет .

О ДССП подробней написано на сайте Ивана Тихонова (авторы Сидоров С.А. и Шумаков М.Н.).

Будущее

Развитие сбалансированных тернарных компьютеров практически перешло в небольшую сноску в анналах компьютерной истории. И в то время, как исследование клеток памяти, способных эффективно представлять три различных состояния было незначительным, некоторые достижения в этой области всё же были.

А именно, японские исследователи в конце 90 -х годов описали возможность использовать переход Джозефсона для реализации троичной логики. Этого можно было достичь за счет циркуляции сверхпроводящих токов - положительного (по часовой), отрицательного (против часовой стрелки), или нулевого. Они обнаружили, что это даёт ячейкам памяти "высокоскоростную способность вычислений, низкое энергопотребление и очень простую конструкцию с меньшим количеством элементов, благодаря тернарной операции".

Но я не думаю, что в ближайшем будущем вы часто будете сталкиваться с понятием сбалансированного тернарного компьютера. И что ДССП станет прорывом у агрессивных поклонников языков программирования - тоже. Но я считаю, что из прошлого можно извлечь много мудрых решений 5 .

1. Это зависит от того, как конкретная машина представляет числа. Дополнительный код - это представление чисел в десятичной системе счисления, которое даёт возможность представить от -((2^n) / 2) до ((2^n) / 2) - 1 в n битах.

2) Хотя компьютер Сетунь был первым электронным устройством, использовавшим для работы тернарную систему, стоит отметить, что идея использования такой системы в вычислительных устройствах впервые была популяризована более 100 лет назад. В 1840 году Томас Фаулер построил вычислительную машину целиком из дерева, и она работала с данными, используя тернарную систему.

Более точное описание можно найти на сайте российского компьютерного музея .

Справочный материал для ДССП на английском языке не слишком доступен, поэтому я предупреждаю, что мои знания ограничены и могут содержать догадки трайты

Добавить метки

3.13. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ
МЕТАЛЛОВ И ЗАЩИТА ОТ НЕЕ

Биоповреждения металлов принято называть микробиологической коррозией (биокоррозией) металлов. В повседневной жизни со случаями биокоррозии металлов приходится сталкиваться реже, чем со случаями биоповреждений неметаллических материалов. Металлы сами по себе являются более биостойкими материалами, а некоторые из них обладают биоцидным действием. В машинах, приборах и других технических изделиях, они, как правило, используются с различными защитными и декоративными лакокрасочными и другими покрытиями, которые первыми принимают на себя воздействие агентов биоповреждений и предохраняют металл от биокоррозии. Внешние проявления биокоррозии мало

отличаются от обычной коррозии, сопровождающейся появлением ржавчины.

Действие микроорганизмов на металлы может происходить различным путем. Прежде всего, коррозию могут вызывать агрессивные метаболиты микроорганизмов - кислоты, основания, ферменты и др. Они создают коррозионно-активную среду, в которой в присутствии воды протекает коррозия по обычным законам электрохимии.

Колонии микроорганизмов могут создавать на поверхности металлов наросты мицелия или слизи, под которыми в результате разности электрических потенциалов на различных участках поверхности металла и ассимиляции ионов металлов самими микроорганизмами может развиваться язвенная коррозия.

Любопытные факты

Американская золотопромышленная корпорация в г. Денвере (штат Колорадо) для добычи металлов из сульфидной руды используют сульфобактерию рода Thiobacillus . В процессе жизнедеятельности этих микроорганизмов возрастает концентрация золота в руде. При биометоде добычи оксиды серы не попадают в атмосферу, что исключает образование кислотных дождей и загрязнения окружающей среды. С помощью этой же бактерии из отходов меднодобывающей промышленности французские ученые планируют экологически чистым методом извлекать биокобальт.

Биоповреждение металлов под воздействием микроорганизмов может происходить различными путями:

• за счет непосредственного воздействия продуктов метаболизма микроорганизмов на металл;
• через образование органических продуктов, которые могут действовать как деполяризаторы или катализаторы коррозионных реакций;
• путем, при котором коррозионные реакции являются отдельной частью метаболитического цикла бактерий.

Среди бактерий наиболее часто коррозию металлов связывают с деятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий; тионовых бактерий, окисляющих серу и соединения серы до серной кислоты; железобактерий, окисляющих закисное железо до окисного.

Сульфатредуцирующие анаэробные бактерии являются возбудителями биокоррозии. Они способны переводить сульфатные соединения металлов в сульфиды, образующиеся при взаимодействии выделяющегося в этом процессе сероводорода с металлами.

Существует несколько гипотез о механизме анаэробной коррозии стали, железа, алюминия и их сплавов под влиянием сульфатредуцирующих бактерий.

Одна из гипотез состоит в том, что при высоком содержании сульфида железа в среде он образует гальваническую пару с железом,

в которой сульфид является катодом, а железо, являясь анодом, подвергается коррозии.

Тионовые бактерии окисляют сульфиды и другие восстановленные соединения серы до сульфатов. Скорость бактериального окисления сульфидов может быть в миллионы раз больше, чем скорость обычного химического окисления. В результате в больших количествах и достаточно быстро может образовываться серная кислота, создающая агрессивную коррозионную среду.

Любопытные факты

При строительстве Киевского метрополитена нейтральные грунтовые воды, омывающие тоннели на некоторых участках при развитии тионовых бактерий, в течение нескольких месяцев превратились в 0,1 н раствор серной кислоты, вследствие чего стальные крепления тоннелей прокорродировали на 40 %.

Железобактерии вызывают коррозию металлических поверхностей, соприкасающихся с водой. На месте сварных швов и других поверхностях металла железобактерии образуют слизистые скопления, не смываемые током воды. Под ними возникают участки, не омываемые водой и поэтому слабо аэрируемые, имеющие более низкий потенциал и поэтому действующие как анод. В анодной зоне железо растворяется, и происходит коррозия.

Некоторые ученые предполагают, что в формировании месторождений золота определенную роль мощи играть микроорганизмы. В лабораторных условиях на питательных средах, содержащих растворенное и взвешенное (коллоидное) золото, в течение двух месяцев выращивали определенные сообщества микроорганизмов и водорослей, живущих в Охотском море. Спектральный анализ показал, что эти сообщества переводят золото из раствора и взвесей в осадок. Частицы его размером 3 - 9 мкм и составляют 35 - 70 % осадка. Таким образом, было показано, что сообщества микроорганизмов могут участвовать в укрупнении частиц золота и концентрации его в месторождениях.

Любопытные факты

В июне 1999 г. в Санкт-Петербурге обрушился козырек вестибюля станции метро "Сенная площадь". На остатках конструкции обрушившегося козырька были обнаружены характерные признаки жизнедеятельности тионовых и нитрифицирующих бактерий, характерные для различных стадий биодеструкции древесины.

Коллективом ученых доказано существование в Санкт-Петербурге обширных процессов биоповреждения строительных материалов и инженерно-технических объектов в целом. Микробы в условиях повышенной влажности интенсивно осваивают среду обитания человека - здания, инженерные сети, различные товары и прочие материальные объекты.

Вопрос о повреждении металлов грибами наименее изучен, поскольку до недавнего времени предполагали, что биоповреждения металлов вызываются главным образом бактериями.

Однако грибная коррозия металлов существует, и в ряде случаев она наносит не меньший вред металлическим конструкциям, чем бактериальная. Удерживая на поверхности металлов влагу и выделяя органические кислоты, грибы способствуют коррозии деталей из латуни, меди, стали, алюминия и его сплавов. Продукты микробиологической коррозии, а также мицелий грибов, образующий мосты между металлическими контактами изделий, способствуют появлению электролитов на поверхности контактов и приводят к замыканию электрических цепей или к ухудшению электрических параметров изделий.

Массовые потери от коррозии после испытания в течение 12 сут. в присутствии A. niger достигли для алюминия 4, для меди - 18, для железа - 33 г/м 2 , что в 4 раза превышает потери каждого металла от обычной коррозии. Основным фактором, вызывающим коррозию металлов в присутствии грибов, является изменение физико-химических свойств среды в процессе метаболизма, о чем свидетельствует изменение рН, окислительно-восстановительного потенциала среды, электрохимических потенциалов металлов.

При испытании пластинок из электролитической меди, полученных в различных условиях спекания и отжига, в солевой среде после нанесения взвеси конидий грибов A. flavus, A. niger на их поверхность, был выявлен рост грибов, и происходило повреждение пластинок во всех вариантах опыта. Наблюдалось поражение грибами отдельных видов порошковых материалов и биметаллической проволоки при экспериментальном изучении их в условиях тропического климата.

Высказано предположение, что в качестве первичного механизма повреждения следует рассматривать внедрение гиф грибов в определенные участки поверхности образца, а вторичным является действие на поверхность металлов продуктов их метаболизма.

Самыми грибостойкими среди испытанных образцов металлов и сплавов являются - углеродистая сталь высокой прочности и сплав алюминия с магнием. Наиболее подверженным коррозионным изменениям оказался технически чистый алюминий.

Оценку биостойкости металлов проводят по внешнему виду коррозии, площади коррозионных поражений, потере массы образцов (после удаления продуктов коррозии), глубине коррозионных поражений.

Любопытные факты

В течение года в районе Лондона был полностью прокорродирован газопровод. Причиной столь быстрого разрушения оказались тионовые бактерии, активность которых была обусловлена поступлением

большого количества сероводорода, образующегося в результате жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий в более глубоких глинистых слоях грунта по всей трассе газопровода.

С помощью сканирующего электронного микроскопа обнаружено, что в структуру биоповреждений металлов входят живые клетки грибов, дрожжей, бактерий, споры, мертвые клетки микроорганизмов, продукты распада клеток и различные вещества неорганической природы.

Биообрастания прочно связаны с поверхностью металла. Сталь, алюминий, медь в местах локализаций биообрастаный имеют различные биоповреждения - от микротрещин, микрократеров до полного разрушения металла на этих участках.

На поверхности чистого, незагрязненного металла, не имеющего контакта с органическими материалами, например, смазками, полимерными пленками, красками, грибы не могут развиваться. Биокоррозия металлов под действием грибов носит в связи с этим как бы вторичный характер, вначале они поселяются и развиваются на органических материалах, контактирующих с металлом, а затем мицелий, распространяясь на металл, вызывает коррозию своими метаболитами - кислотами, ферментами.

Биокоррозия отмечалась на резьбовых соединениях, электрических контактах и т. п. Такие поражения характерны для радиоэлектронных и оптических приборов. Образование мицелия на поверхности электрических контактов приборов вызывало нарушение работы всего прибора, вследствие замыкания электрической цепи или размыкания ее из-за нароста продуктов коррозии на поверхностях.

Способы защиты металлов от биокоррозии основаны на применении химических биоцидов, а также на рациональном подборе и использовании в технических изделиях биостойких материалов. Большое значение имеет соблюдение санитарно-гигиенических правил при производстве и эксплуатации техники.

Для защиты металлов от биокоррозии используют те же биоциды, что и для защиты неметаллических материалов. Существенным требованием к таким биоцидам является то, что они не должны быть агрессивны к металлам и не вызывать их коррозии, так как некоторые биоциды коррозионно опасны в этом отношении.

Почва является вместилищем необычайно обильной и разнообразной микрофлоры, представленной многочисленными группами бактерий, плесневыми грибками, дрожжевыми организмами и т. п.

Количество разнообразных бактерий, приходящееся на 1 г почвы, достигает сотен миллионов, а иногда и десятков миллиардов. Основная масса микроорганизмов встречается в верхних горизонтах почвы, однако и в подпочвенных слоях они содержатся в значительном количестве. В некоторых случаях эти организмы могут вызывать интенсивную коррозию, получившую наименование микробиологической коррозии.

Действие микроорганизмов сводится или к непосредственному влиянию на скорость анодной и катодной реакций, или к созданию коррозийной среды.

Кроме того, микроорганизмы могут вызывать изменение стойкости защитной пленки в результате обменных биохимических реакций или действия на пленку продуктов этих реакций.

Микроорганизмы подразделяются на аэробные, способные жить и размножаться только при наличии свободного кислорода, и анаэробные, живущие и нормально размножающиеся при отсутствии свободного кислорода за счет энергии расщепления химических соединений.

Наибольшее значение и распространение в почвенных условиях имеет анаэробная коррозия. Сюда прежде всего относится микробиологическая коррозия стальных и чугунных трубопроводов, заложенных в тяжелых глинистых грунтах, болотах, стоячих водах и т. п., а также коррозия внутри стальных нефтепродуктовых резервуаров, где в силу их герметичности создаются анаэробные условия. На чугунных трубах анаэробная коррозия обнаруживается в форме спонгиоза(графитизация), распространенного на большую площадь и значительную глубину. Стальные трубы подвергаются точечной, а внутренние стенки резервуаров - общей анаэробной коррозии.

Наиболее распространенный вид анаэробной коррозии связывается с жизнедеятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий, широко распространенных в различных почвах, пресных и соленых водах и нормально вегетатирующих только в анаэробных условиях, в присутствии сульфатов и небольшого количества органических веществ. Названная культура бактерий является чрезвычайно жизнеспособной при значениях рН среды от 5 до 9. Более повышенное значение рН угнетающе действует на бактерии и при продолжительном пребывании в среде с рН = 9,5 бактерии погибают.

Коррозионный процесс в анаэробных условиях заключается в том, что благодаря жизнедеятельности микроорганизмов в среде, окружающей подземное сооружение, сульфаты восстанавливаются и преобразуются в сероводород. Последний взаимодействует с железом, образуя сернистое железо. Освободившийся при восстановлении сульфатов кислород обеспечивает деполяризацию катода, на котором должен накапливаться водород в связи с растворением железа. Таким образом, через катодную деполяризацию бактериальный процесс стимулирует развитие коррозии.

Максимальное количество сернистого железа, получающегося в результате бактериальной коррозии, составляет одну четвертую часть общей массы прокорродировавшего металла, остальная часть железа переходит в гидрат закиси.

Указанием на микробиологическую коррозию с участием сульфатвосстанавливающих бактерий служит наличие сернистого железа в продуктах коррозии.

При воздействии сероводорода на железо образуется сернистое железо, которым покрывается внутренняя поверхность резервуара. Образование сернистого железа, помимо непосредственного вреда сооружению, создает опасность внезапного взрыва горючих смесей, так как при соприкосновении с воздухом сернистое железо вступает в энергичную реакцию окисления с выделением большого количества тепла.

Для предупреждения развития микрофлоры в резервуарах и трубопроводах рекомендуется:

1) днища и стенки резервуаров до уровня водяной подушки покрывать цементом, обеспечивая тем самым щелочность среды, препятствующую развитию бактерий;

2) трубопроводы и резервуары промывать только пресной водой

3) соблюдать меры предосторожности при проветривании резервуаров, содержащих продукты коррозии, богатые сернистыми соединениями.

К анаэробным микроорганизмам, кроме сульфатвосстанавливающих, относятся также денитрифицирующие (азотвосстанавливающие) бактерии и бактерии, образующие метан. Во всяком случае эти бактерии оказывают значительно меньшее влияние, чем сульфатвосстанавливающие.

Из аэробных бактерий в почве и природных водах некоторое значение для коррозии металлов имеют серобактерии и железобактерии; последние являются типично водными формами.

Исходным материалом для развития серобактерий является элементарная сера, конечным продуктом микробиологического окисления - серная кислота. Наиболее благоприятный для серобактерий является кислая среда с рН от 0 до 1. Концентрация серной кислоты, образующейся в результате жизнедеятельности этих бактерий, достигает 10%. Следовательно, почвы, содержащие свободную серу или сернистые соединения, представляют для стальных трубопроводов реальную опасность, так как в этих условиях серобактерии могут вызвать серьезную коррозию.

Железобактерии в результате своей жизнедеятельности накапливают железо, усваиваемое ими из водных растворов, и отлагают его в виде бугорков.

Чаще всего это наблюдается на внутренней поверхности труб, по которым течет вода.

Собственно коррозия наблюдается под этими бугорками и протекает как анаэробный процесс, вероятно, с участием сульфатвосстанавливающих бактерий.

В целом коррозия металлов при участии аэробных бактерий имеет значительно меньшее распространение и значение, чем коррозия с участием анаэробных бактерий.

Микробиологическая коррозия, или просто биокоррозия, – это процесс коррозионного разрушения металла в условиях воздействия микроорганизмов, к которым относят прокарчоты (бактерии) и зукарчоты (грибы, простейшие).

Биокоррозию следует рассматривать как самостоятельный вид коррозии, хотя она часто протекает совместно с атмосферной, почвенной, в водных растворах или в неэлектролитах, при этом она инициирует и интенсифицирует их.

Микроорганизмы могут непосредственно разрушать материал конструкций, но чаще они стимулируют процессы электрохимической коррозии.

Биоповреждениям подвержены подземные сооружения, оборудование нефтяной промышленности, трубопроводы при контакте с почвой и водными средами, элементы конструкций машин, их лакокрасочные покрытия и т.д. Коррозионные эффекты при участии микроорганизмов аналогичны другим видам коррозии.

Биокоррозию подразделяют на бактериальную, протекающую в водных средах при наличии особого вида бактерий (в почве, воде, продукте), и микологическую (грибную), протекающую в атмосферных условиях, при контакте с почвой, при увлажнении поверхности, при наличии загрязнений, спор, мицелия и продуктов жизнедеятельности грибов. Коррозия возможна при совместном и попеременном действии указанных микроорганизмов, актиномицетов, дрожжей.

Микроорганизмы могут воздействовать на металлы с высокой коррозионной стойкостью: кислотоупорные стали, алюминивые сплавы и др.

Бактериальная коррозия может происходить при 6…40 С, рН = 1…10 в присутствии органических и неорганических веществ, включающих такие эле-менты, как углерод, сера, азот, фосфор, калий, железо, водород, кислород и др.

Разрушение металла происходит по следующим причинам: непосредственно – микроорганизмы потребляют материалы конструкций в качестве источников питания; косвенно – продукты жизнедеятельности бактерий создают на поверхности металла различные электрохимические концентрационные элементы, в растворе или на поверхности металла образуются агрессивные химические соединения, изменяются электрохимические потенциалы среды в связи с изменением концентрации кислорода в растворе.

Бактерии быстро размножаются и легко приспосабливаются к изменяющимся физическим, химическим и биологическим условиям среды. Они могут адаптивно образовывать ферменты (оксидоредуктазы и гидролазы), необходимые для трансформации питательных сред.

Микроорганизмы, использующие в качестве источника энергии неорга-нические вещества, выделены в особую группу. К ним относятся следующие:

водородные, окисляющие водород с образованием воды;

нитрифицирующие, окисляющие аммиак до азотной кислоты (Nitrosomonas, Nitrobacter);

тионовые, окисляющие сероводород до элементарной серы, или элементарную серу до серной кислоты (Thiobacillus thiooxidans), или сернокислое железо до окисного (Th. Ferroxidans);

железобактерии, окисляющие закисное железо до окисного (Gallionella) в нейтральных средах;

метанообразующие, стимулирующие природный синтез метана из углекислоты и водорода в анаэробных условиях;

сульфатвосстанавливающие (СВБ), жизнедеятельность которых происхо-дит за счет процесса восстановления сульфатов до сероводорода и которые являются основными разрушителями нефти, нефтепродуктов и металлов;

нитратвосстанавливающие, вызывающие в почве процесс денитрофикации – восстановление окисленных форм азота (Thiobaсillus denitrificans).

Обычно в коррозионном процессе участвуют бактерии многих видов, проявляющие свою активность, как правило, в ассоциациях, могущих изменяться под действием различных факторов.

Окислительно-восстановительные процессы в биохимии характеризует показатель rH 2 – отрицательный логарифм давления молекулярного водорода, выражающий степень аэробности. При перенасыщении среды кислородом rH 2 = 41, если среда насыщена водородом, то rH 2 = 0. Равновесие окислительно-восстановительных процессов характеризуется rH 2 = 28. Анаэробы существуют при rH 2 = 8…10; аэробы - rH 2 = 10…30; факультативные анаэробы - rH 2 = 0…30.

Анаэробные условия могут быть созданы деятельностью аэробных бактерий, в природе те или эти существуют совместно. В почве наиболее интенсивная коррозия наблюдается в болотистых местах (рН = 6,8…7,8), насыщенных органическими остатками с пониженным содержанием кислорода. Поверхность конструкций, имеющих значительную протяженность (трубопро-воды), становится анодной по отношению к участкам, контактирующим с более аэрированной почвой, и коррозия ускоряется. В анодных зонах возможно окисление гидрозакиси железа железобактериями.

Электрохимическая коррозия металлов происходит при деполяризации ло-кальных элементов. Установлено, что гидрогенозоактивный штамм сульфатвос-станавливающих бактерий является эффективным катодным деполяризатором при анаэробной коррозии алюминиевых сплавов. На поверхности алюминиевых сплавов образуются вздутия, в которых были обнаружены микроорганизмы в виде бактерий Ps. aerquqinose, a также гриб Cladosprium, создающие анаэроб-ные условия и продуцирующие продукты питания для СВБ. Анаэробная зона под вздутием становится анодом, а зона по краям вздутия – катодом (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема бактериальной коррозии

алюминия Ps. Aerquqinose и СВБ

Аналогично действие СВБ в отношении сталей:

4Fe 4Fe 2+ + 8e (1) – анодная реакция;

8Н 2 О 8Н + + 8ОН - (2) - анодная реакция;

8Н + + 8е 8Н - (3) - катодная реакция;

SO 4 2- +8Н S 2- +4H 2 O (4) - катодная реакция СВБ;

Fe 2+ + S 2- FeS (5) – продукты коррозии;

3Fe 2+ + 6ОН - 3Fe(ОН 2) - (6) – продукты коррозии;

4Fe 2+ + SO 4 2- +4 Н 2 О FeS + 3Fe(ОН) 2 + 2ОН - (7) – суммарно.

Выпадающий при развитии бактерий сульфид железа также способствует усилению процесса коррозии.

Изучение катодной поляризации стали в бактериальной среде, восстанавливающей сульфаты, показало, что могут существовать два механизма деполяризации: ферментативный и деполяризация катода твердым сульфидом железа.

Исследование кинетики коррозии стали Ст3 в средах, содержащих СВБ и сероводород, также показало, что процесс коррозии стимулируется анодной реакцией при воздействии продуктов жизнедеятельности бактерий. Адгезионная пленка сульфида железа разрыхляется продуктами метаболизма СВБ и таким образом ускоряет процесс коррозии.

Высокая коррозионная активность СВБ связана с интенсификацией катодного процесса, обусловленного потреблением атомарного водорода по важнейшей для микроорганизмов реакции (4). Сульфид-ионы, образующиеся по этой реакции, могут ускорять развитие коррозии. Скорость коррозии существенно возрастает в присутствии элементарной серы, последняя выполняет роль, аналогичную растворенному кислороду в аэрируемых электролитах (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема бактериальной коррозии стали в присутствии СВБ:

а - катодная реакция;б – анодная реакция

Механизм реакции меняется при переходе от одной фазы развития бактерий к другой. В период развития бактерий происходит деполяризация анодных и катодных процессов. С понижением бактериологического воздейст-вия поляризация вновь увеличивается, и образующийся сульфид железа тормо-зит анодный процесс. Значение рН при этом сдвигается от 7…7,2 до 7,8…8. Дальнейшее превращение сульфидов FeS 1,2,3,4 в Fe 3 S 4 сопровождается большими внутренними напряжениями, приводящими к разрушению пленки сульфидов и обнажению поверхности металла.

Метановые бактерии воздействуют на металл как деполяризаторы по схеме:

деполяризация микробами

СО 2 + 8Н + СН 4 + 2Н 2 О;

продукт коррозии

4Fe 2+ + 8(ОН) - 4Fe(ОН) 2 .

Железо может окисляться гетеротрофами (Serratis mariescens, Salmonela typhimurium) в присутствии нитратов. Гетеротрофы используют водород и восстанавливают нитраты, стимулируя коррозию.

Железобактерии окисляют железо до трехвалентного, участки труб под осадком Fe(OH) 3 в присутствии кислорода становятся анодными, и процесс локальной коррозии ускоряется.

Наибольшее коррозионное повреждение оборудования и сооружений, контактирующих со сточными водами, вызывают тионовые бактерии. Наиболее интенсивной коррозии подвергаются легированные стали типа 12X13Г18Д, 12Х18Н10Т.

В подземной коррозии труб и повреждениях изоляционных покрытий основное участие принимают бактерии. В почве, вблизи поверхности трубопровода, защищенного различными полимерными покрытиями, обнаружены Pleomorphic rods, Pseudomonas acruqinosa, Microccus parabfinae и др.

Исследования показали, что биокоррозия возникает в результате воздействия СВБ. Состав нефтепродуктов, наличие влаги, рН, температура в емкостях способствуют развитию этих микроорганизмов.

Микологическая (грибная) коррозия – это разрушение металлов и покрытий при воздействии агрессивных сред, формирующихся в результате жизнедеятельности микроскопических (несовершенных, плесневых) грибов.

В отличие от бактерий мицелиальные грибы непосредственно коррозию не вызывают. Поражения возникают в процессе жизнедеятельности гриба на нестойких материалах (углеводородном топливе, лакокрасочных материалах органических загрязнениях и др.). Грибному разрушению подвержены металлы, полимерные материалы, лакокрасочные покрытия, нефтепродукты и др.

Порчу топлив вызывает Cladosporium resinae, повреждение полимеров Penicillium, Asperqillus и др. Гриб Cl. resinae является причиной разрушения хранилищ нефтепродуктов. Установлено, что развитие гриба начинается в водной фазе по границе раздела водной фазы и продукта. Содержание воды в нефтепродуктах в концентрации 1:10 4 достаточно для заселения микроорганизмов. Вода в нефтепродуктах накапливается за счет конденсации при их хранении и транспортировке, негерметичности емкостей и др.

Биоповреждения материалов стимулируют коррозию металлов и тем самым снижают прочностные, электроизоляционные и другие свойства металлов.

Если для развития сульфатвосстанавливающих, метанообразующих и железобактерий необходимы специальные условия, то для микрогрибов достаточно незначительного загрязнения и временного повышения влажности воздуха, и на поверхности конструкции образуется колония.

Повреждения грибами имеют характерные признаки и особенности. Грибы не содержат хлорофилла и по способу питания относятся к гетеротрофам, т.е., как и гетеротрофные бактерии, потребляют углерод из готовых органических соединений. Размножение грибов происходит разрастанием гиф и спор.

Основной фактор, способствующий развитию грибов, - вода, которая составляет главную часть клеточного тела гриба. Большое влияние на прорастание спор оказывает температура, интервал жизнедеятельности грибов - 0…+ 45 С. Некоторые грибы способны развиваться и при более высокой температуре (термофилы) или более низких (психрофилы) температурах.

Особую опасность представляют грибы – продуценты кислот. Они могут стимулировать процессы коррозии. К сильным кислотообразующим грибам относят грибы рода Asperqillus и др.

Развитие микологической коррозии схематично можно подразделить на четыре стадии:

прорастание спор (конидий) или вегетативных элементов гриба с учетом адаптивных возможностей культуры, стимулирующей на первых этапах преимущественно контактный обмен;

развитие мицелия с последующим формированием визуально наблюдаемых колоний гриба; локальное накопление, проявление активности вторичных метаболитов, в частности органических кислот;

развитие коррозионных процессов, разрушающее действие гидролаз и оксидоредуктаз на полимеры, появление градиентов концентрации акцепторов электронов (кислорода);

обильное спорообразование грибов, коррозионные повреждения (локальные или сплошные) резко выражены, на металлах возникает катодная (анодная) деполяризация.

Виды грибов, наиболее часто стимулирующих коррозию: Asperqillus niqer, A. amstelodamii, A. fumiqatus, trichoderma lignorum, Cladosporium herbarum и др.

Несовершенные грибы (аэробные гетеротрофы) стимулируют коррозию металлов следующим образом:

действием органических кислот, продуцируемых грибами по реакциям

mMe mMe n+ + ne;

mMe n+ + n(A n - H +) nH 2 O Me m (A n -) n + nH 3 O + ;

nH 3 O + + ne nH 2 O + (n/2)H 2 

Органические кислоты, продуцируемые грибами, повышают агрессивность среды, стимулируя процессы коррозии металлов и деструкцию полимеров, и служат источником углерода для дальнейшего развития микроорганизмов;

действием щелочной среды, создаваемой грибами

Аl Al 3+ + 3e,

Al 3+ + 3OH - AlO 2 - +H 3 O + Аl(OH) 3

AlO 2 - + Me + MeAlO 2 ,

H 3 O + + e H 2 O + 1/2H 2 ,

2 Аl(OH) 3 Al 2 O 3 +3 H 2 O;

действием окисленных ферментов с выделением перекиси водорода, а затем атомарного кислорода при ее разложении

nH 2 O 2 n H 2 O + nO,

mMe + nO Me m O n .

Продукты коррозии, в свою очередь, стимулируют процесс разложения перекиси водорода. Ферменты, выделяемые грибами, - мощный фактор биоповреждений металлоконструкций. К таким ферментам относятся оксидоредуктазы и эстеразы.

Более 50 % коррозионных повреждений техники, эксплуатирующейся в природных условиях, связаны в той или иной степени с воздействием микроорганизмов. Стимулирование электрохимической коррозии происходит из-за появления концентрационных элементов на поверхности конструкций в результате накопления продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, повышающих агрессивность среды. При этом происходят разрушение пассивных пленок на металле и деполяризация катодного и (или) анодного процессов. Изменение ЭДС коррозионных элементов приводит к локализации процесса коррозии. Стимулированию локальной коррозии также способствуют неравномерность распределения колоний микроорганизмов, образование сероводорода, сульфидов, ионов гидроксония, гидрат-ионов и так далее в условиях, казалось бы исключающих появление этих соединений.

Постоянная изменчивость микроорганизмов, миграция катодных и анодных фаз, сочетание аэробных и анаэробных процессов приводят к появлению значительных коррозионных эффектов и создают предпосылки к возникновению отказов.

Металлы и металлопокрытия подвержены воздействию микрогрибов, причем обрастанию в различной степени подвержены почти все металлы. Продукты коррозии обнаружены на поверхностях углеродистых и низколегированных сталей, алюминиевых сплавов и латуней, металлопокрытий, избирательно – на высоколегированных сталях.

Отмечены сезонные колебания микрофлоры: зимой доминируют железобактерии, летом – СВБ. В процессах биокоррозии принимают участие также микрогрибы (Cl. resinae), микроводоросли, вступающие в ассоциацию с бактериями.

Повреждения носят локальный характер, глубина их иногда достигает критических величин, приводящих к нарушению герметичности или прочности конструкций.

6. ХАРАКТЕРИСТИКА КОРРОЗИОННОЙ АГРЕССИВНОСТИ

СРЕД В ТРУБОПРОВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ НЕФТИ И ГАЗА

Защита войск и населения от отравляющих и аварийно опасных химических веществ

Защита временем при контакте с локальной вибрацией, превышающей ПДУ

ЗАЩИТА МЕДИЦИНСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ХРАНЕНИИ И ТРАНСПОРТИРОВКЕ

Защита прав юридических лиц и индивидуальных предпринимателей при проведении государственного контроля (надзора).

Коррозии подвергаются не только металлы, но и материалы ор­ганического и синтетического происхождения. В этом случае го­ворят о микробиологической коррозии, или биокоррозии, разрушающей многие виды промышленных изделий в результате воздействия микроорганизмов. Наболее интенсивно воздействие микро­организмов в условиях тропического климата, т. е. повышенной температуры и влажности. Однако в ряде районов нашей страны (Черноморское побережье Кавказа, Прибалтика) климатические факторы способствуют развитию микробиологической коррозии таких материалов, как дерево, ткани, кожа, картон, бумага и др., хотя и не в такой степени, как в тропиках. Подсчитано, что из общих потерь от коррозии в мировом масштабе на долю биокор­розии приходится 15-20%. Реальные потери, вероятно, значи­тельно больше.

Главное действующее начало микробиологической коррозии - плесневые грибы, а для некоторых материалов и бактерии. Основ­ной фактор жизнедеятельности плесневых грибов - наличие во­ды. Пониженная температура сдерживает их развитие, однако при наличии воды некоторые виды грибов хорошо растут даже при температуре, близкой к 0°С. Споры плесневых грибов распростра­нены в атмосфере, но особенно много их в поверхностных слоях почвы. Плесень сравнительно легко приспосабливается к различ­ным физическим и химическим условиям среды.

Источником питания плесени служат материалы, содержащие углерод и азот, но известны плесени, ассимилирующие фенол и каучук. Оптимальная температура для развития всех видов пле­сени находится в пределах 26-30 °С. При повышении или пони­жении температуры их развитие, замедляется. Споровые формы плесневых грибов выносят температуру 100 °С и выше.

Под воздействием плесени материалы органического происхож­дения разрушаются, а продукты их распада могут вызывать хими­ческую коррозию и металлов. Это особенно опасно для электро­технических изделий (провода с хлопчатобумажной или шелковой оплеткой). В результате микробиологической коррозии резко сни­жается электрическая прочность изоляции и могут возникнуть пробои и короткие замыкания. Известны случаи, когда в резуль­тате микробиологической коррозии полностью нарушалось функ­ционирование механических приборов, например зеркального галь­ванометра.

Меры защиты от биокоррозии. Наилучшей защитой при хране­нии и эксплуатации изделий служит создание условий, препятст­вующих развитию плесени. Условия эксплуатации изделий меди­цинской техники малоблагоприятны для возникновения плесени, так как изделия во время эксплуатации неоднократно стерили­зуют или подвергают влажной санитарной обработке. В связи с этим благоприятные условия для развития плесени могут появ­ляться главным образом при хранении изделий в складских помещениях. Однако при нормальной температуре хранения и при ульт­рафиолетовом облучении изделие будет надежно защищено от плесени.

Особенно важно проветривать складские помещения. Если изде­лия влажны, то поток воздуха, даже имеющего большую относи­тельную влажность по сравнению с воздухом помещения, служит защитным фактором. Поток воздуха препятствует оседанию спор на поверхности предметов. Исходя из этого, в условиях хранения, которые записаны в ТУ на изделия медицинской техники, не предусматривается, как правило, специальных мер борьбы с биокоррозией, кроме хранения в сухих, отапливаемых помещениях. В большинстве районов СССР соблюдение указанных выше усло­вий надежно предохраняет изделия от плесневения.