Физико-химические основы коррозии

Введение

Процессы коррозии необратимы и часто приводят к отказам различных машин и аппаратов, металлоконструкций, поэтому их необходимо обнаруживать на ранних стадиях, давать количественную оценку коррозионного повреждения, прогнозировать опасность развития в случае непринятия мер по усилению коррозионной защиты. Установление причин коррозионного разрушения позволяет правильно выбрать метод защиты.
Целью коррозионных исследований является не только определение долговечности данного металла в определенных условиях, но и раскрытие механизма коррозионного процесса, который может быть электрохимическим, химическим или смешанным.
По общему характеру методы коррозионных исследований подразделяются на следующие:
- лабораторные исследования - изучение коррозионного поведения металлических образцов в искусственно созданных условиях;
- внелабораторные исследования - коррозионные исследования образцов в естественных эксплуатационных условиях;
- эксплуатационные исследования - испытания машин, аппаратов, сооружений и средств коррозионной защиты в условиях эксплуатации.
Обычно вначале проводят лабораторные, затем внелабораторные и последними - эксплуатационные испытания. Различные виды исследований дополняют друг друга.
Целью данной работы есть рассмотрение приборов для изучения свойств коррозии, а именно, изучения их:
характеристик;
принципа работы;
способы и виды исследований на этом приборе;


1.Гравиметрический метод исследования коррозионных процессов

Гравиметрический метод исследования прохождения коррозионных процессов есть одним из ведущих методов, поскольку их результат дает прямое представления о интенсивности этих процессов[1].
Для примера рассмотрим изучения коррозионного воздействия кислого гудрона на металлы. Для этой цели изготовлен прибор из термостойкого стекла (рис. 1), состоящий из сосуда (3) объемом 400 см3. Сосуд закрывается пришлифованной пробкой (9), внутри которой имеется крючок для подвешивания испытуемых образцов металла.


Рис. 1. Прибор для определения коррозионного воздействия кислого гудрона:
1 – цилиндрическая электропечь типа «труба в трубе»;
2 – кислый гудрон;
3 – сосуд;
4 – держатель образца металла;
5 – образец стали;
6 – термопара;
7 – горловина для термопары;
8 – вход для азота;
9 – пришлифованная пробка с крючком;
10 – кран;
11 – горловина пробки 9
Сосуд имеет две горловины: одна (7) для термопары, а другая (8) – для продувки азотом и отбора газовой пробы.
Держатель образцов металла (4) состоит из фторопластовой пластины длиной (80±0.5) мм и шириной (10±0.5) мм, на обоих концах которой
есть крепежные отверстия. Образцы стали (5) брали в виде прямоугольных пластин размером (32±0.5)×(21±0.5) мм, толщиной 2 мм.
Сосуд (3) размещается в цилиндрической электропечи (1) типа «труба в трубе», снизу изолируется асбестовой тканью для поддержания
постоянной температуры. Прибор сконструирован таким образом, чтобы стальные пластины не касались расплава КГ.
Подготовка образца к испытанию
Из листового железа марки Ст3 вырезаются пластины определенных размеров. Указанные выше пластины перед испытанием зачищаются
от заусениц и шлифуются наждачной бумагой. Затем пластины промываются водой, спиртом или ацетоном, высушиваются
до постоянной массы и хранятся в эксикаторе при комнатной
температуре . Подготовленные к испытанию пластины берутся только пинцетом выше пластины перед испытанием зачищаются
от заусениц и шлифуются наждачной.
Проведение испытания
Взвешенные образцы стали Ст3 закрепляются в держателе по обе стороны фторопластовой пластины. Держатель образцов металла подвешивается на крючок, впаянный в пробку сосуда. Сосуд заполняется расплавленным кислым гудрон, разогретым до температуры 70–80°С, и закрывается пробкой. Через горловину (8) сосуд продувается газообразным азотом из баллона.
После продувки закрывается кран (10), включается обогрев электропечи, температура кислого гудрона в сосуде поддерживается на уровне 120°С.
Периодически, по истечении определенного времени образцы вынимаются и переносятся в эксикатор. После охлаждения они взвешиваются на аналитических весах[2].
Следующим примером гравиметрического исследования коррозионных процессов есть подбор ингибитора коррозии для пресных вод, характеризующихся высоким содержанием кислорода (6,0 - 7,0 мг/л) . В лабораторных условиях определяли скорость коррозии металла образцов из углеродистой Стали 20 в неингибированной и ингибированной реагентами воде. Лабораторные испытания выполняли гравиметрическим методом в U-образной ячейке (рис.2 ) согласно ГОСТ 9.506-87 и ГОСТ 9.502-82

.
Приборы, работающие на принципе гравиметрического контроля, называются дериватографами.

Рис. 2. Прибор для испытания при атмосферном давлении
1 – U-образная ячейка; 2 – мешалка; 3 – герметичный привод; 4 – электродвигатель; 5 – образцы; 6 – испытуемая среда; 7 – штатив.
Результаты эксперимента
При температуре эксперимента КГ переходит в вязко-текучее состояние, при этом часть его легколетучих компонентов образует паровую фазу. С
течением времени под воздействием коррозионно-активных компонентов паровой фазы над расплавом кислого гудрона пластины стали Ст3 по-
крывались рыхлым налетом черного цвета – оксидом железа(II).
Гравиметрического метода заключается в определении потери массы металлических образцов за время их пребывания в испытуемой среде. При гравиметрическом методе скорость коррозии характеризуется массовым показателем Km (г/м2⋅час)[3].

где m1 – масса образца до испытания, г; m2 – масса образца после испытания, г; S – площадь поверхности образца, м2; τ – время экспозиции, час.

где a – длина образца, м; b – ширина образца, м; h – толщина образца, м; d – диаметр отверстия, м (рис. 3).

Рис.3. Образец испытуемого металла


2. Метод электрического сопротивления

Метод электрического сопротивления основан на оценке результатов измерений электрического сопротивления чувствительного элемента, которое изменяется в результате коррозии. Метод электрического сопротивления используется для выявления изменений агрессивности среды при нарушении технологии ингибирования или резком изменении эксплуатационных условий. Практическое измерение коррозии достигнуто при использовании датчиков электрического сопротивления ДКП , имеющих свободные «открытые – незащищенные» чувствительные элементы, находящиеся в коррозийной жидкости, и " эталонные" элементы, герметизированные  в футляре. Измерение отношения сопротивления открытого – незащищенного чувствительного элемента к защищенному элементу сделано, как показано рис 4.
.
Рис 4. Принципиальная электрическая схема датчика электрического сопротивления
Rч - чувствительный элемент;  R2 – защищенный – эталонный элемент;   R3 -  R4 – резисторы. ИЭ- измерительный элемент; ип- источник питания.

Изменение температуры окружающей среды действует на чувствительный и защищенный элемент,  поэтому сопротивление у обоих элементов изменяется  одинаково, таким образом, влияние изменения температуры окружающей среды к датчику сводится к минимуму. Как только температурное равновесие будет установлено, любое изменение сопротивления показывает потери металла открытого – чувствительного элемента. Все датчики электрического сопротивления имеют элемент "сравнения". Поскольку элемент сравнения также герметизирован в датчике, отношение его сопротивления  к эталонному элементу должно остаться неизменным. Любое существенное изменение в этом отношении указывает потерю целостности датчика. Скорость изменения сопротивления датчика указывает на скорость коррозии. Непрерывно измеренные данные обычно передаются к компьютеру или регистратору данных.
Вычисление скорости коррозии
Когда датчик измеряет электрическое сопротивление, измерительная система вырабатывает линеаризованный сигнал (S), пропорциональный полной металлической потере чувствительного (незащищенного) элемента датчика (M). Его истинное числовое значение является функцией изменения толщины элемента и формы. При вычислении металлической потери (M) геометрические и размерные факторы включены в "Коэффициент датчика" (P), и металлическая потеря определяется формулой:   
M = S*P /1000
S и P являются безразмерными величинами. Металлическая потеря традиционно выражена в Mils- единица измерения длины равной
0,001 дюйма или 0,0254 мм как толщина элемента.
Скорость коррозии (C):  
C = P*365*( S2 – S1) / ΔT *1000
ΔT – промежуток времени в днях между показаниями прибора S1 и S2. Толщина чувствительного элемента, форма и ожидаемая скорость коррозии являются определяющими факторами датчика. При выборе датчика, для получения оптимальных результатов, учитываются основные параметры (кроме рабочего диапазона температуры и давления среды) – быстродействие (время реагирования) и требуемая “полезная толщина чувствительного элемента”. Время реагирования – это минимальное время, проходящее  с изменения факторов, действующих на коррозию оборудования, до получения сигнала на выходе датчика. Полезная толщина чувствительного элемента датчика – это эффективная толщина чувствительного элемента, в котором металлическая потеря (изменение сопротивления) остается прямо пропорциональным к коррозии