Контрольная работа №1. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ ФАКТОРОВ НА СКОРОСТЬ КОРРОЗИИ. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ ФАКТОРОВ. Лабораторная работа 1 влияние внешних и внутренних факторов на скорость коррозии
 Скачать 0.76 Mb.
|
|
Вывод. Таким образом, сталь 5 менее стойкая к коррозии, чем латунь Л80. 12 Контрольные вопросы 1. Классификация коррозионных разрушений. Коррозией металлов называется разрушение или изменение его свойств, вызванное химическими или электрохимическими процессами при взаимодействии с окружающей средой. По характеру взаимодействия металла с окружающей средой различают два основных вида коррозии: химическую и электрохимическую. Химическая коррозия относится к случаям изменения свойств металла в результате химических реакций без возникновения и протекания электрического тока. К этому виду коррозии относятся газовая коррозия и коррозия в неэлектролитах. Газовая коррозия происходит в результате взаимодействия металла с сильно разогретым газом при полном отсутствии влаги (например, коррозия лопаток газовых турбин, образование окалины при термической обработке металла и т. п.), Коррозия в неэлектролитах – разрушение металла в жидких или газообразных неэлектропроводных средах (коррозия при взаимодействии с нефтепродуктами, содержащими серу). Электрохимическая коррозия- это окисление металлов в электропроводных средах, сопровождающееся образованием и протеканием электрического тока. При этом на различных участках поверхности металла возникают анодные и катодные участки. Коррозионные разрушения образуются только на анодных участках. 2. Влияние внешних факторов на скорость коррозии. К внешним факторам, воздействующим на скорость коррозии, относится прежде всего среда, омывающая металл, которая содержит различные примеси (CO 2 , O 2 , электролиты). Сюда же относятся температура, показатель pH среды и т.д. 3. Влияние внутренних факторов на скорость коррозии. 13 К внутренним факторам относятся состав и структура металла, состояние его поверхности, наличие внутренних деформаций и напряжений. Для технических металлов характерна электрохимическая неоднородность поверхности. Как известно, на идеально отполированной поверхности очаги коррозии (как и центры кристаллизации отложений) возникают значительно позже, чем на грубообработанной. Однако наличие в металле шлаковых, графитовых, серных вкраплений, отложений оксидов металлов создает местные токи, которые обусловлены образованием микро-и макрогальванических элементов. 4. Показатели скорости коррозии. Для определения скорости коррозии металла в данной среде обычно наблюдают за изменением какой-либо характеристики, объективно отражающей изменение свойства металла. Такой характеристикой (показателем) может быть, например, изменение массы металла, объем выделяющегося газа, изменение механических и электрических свойств металла и др. Выбор показателя скорости коррозии определяется как целями коррозионных исследований, так и наиболее рациональными, а иногда и более доступными методами измерения. В настоящее время используют достаточно большое число таких показателей, поэтому укажем лишь наиболее часто применяемые на практике. Показатели скорости коррозии – характеристики интенсивности коррозионного процесса, объективно отражающие изменение свойства металла. Различают прямые и косвенные показатели скорости коррозии. 14 Лабораторная работа № 3 «ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ МЕЖДУ ТРУБОЙ И ЗЕМЛЕЙ» Цель работы:Получить навыки измерения разности потенциалов между трубопроводом и землей для выявления участков трубопроводов, находящихся в зонах коррозийной опасности. Основные положения Трубопроводы, уложенные в грунт, защищены от воздействия агрессивной окружающей среды изоляционным покрытием. С течением времени изоляция стареет и разрушается, вследствие чего поверхность трубы в местах поврежденной изоляции начинает контактировать с почвенным электролитом. Поверхность трубопровода, как и любого другого металла, состоит из короткозамкнутых гальванических микроэлементов, которые при контакте металла с электролитом начинают действовать, что приводит к разрушению металла и образованию двойного электрического слоя вследствие перехода ионов металла в электролит или из электролита в металл. Такой переход возможен до тех пор, пока не установится равновесие, которому соответствует определенный электрохимический потенциал. Электрохимический потенциал трубопровода измеряют с помощью электрода сравнения. При помощи измерительного прибора невозможно определить потенциал одного электрода или металлического сооружения. Значение стационарного потенциала трубопровода представляет собой разность между его электрохимическим потенциалом и потенциалом электрода сравнения по отношению к грунту. Для измерения потенциалов подземных сооружений относительно земли используются различные электроды сравнения (стальные, медно- 15 сульфатные). Наибольшее распространение получили медно-сульфатные неполяризующиеся электроды сравнения различных конструкций. Устройство этих электродов представлено на (рисунках 1, 2, 3). Медно-сульфатный электрод сравнения (МЭС) сохраняет свой потенциал при контакте с любым электролитом. Его постоянный скачок потенциала + 0,316В (по отношению к стандартному нормальному водородному электроду) сравнивается со скачком потенциала на границе защищаемого стального сооружения и окружающей почвы при помощи приборных измерений. Замеры потенциалов по трассе магистрального трубопровода производятся в контрольно-измерительных колонках, расположенных вдоль трубопровода. МЭС применяют в тех случаях, когда амплитуда колебаний разности потенциалов не превышает 1 В. Стационарный потенциал «труба-грунт» зависит от состояния поверхности трубопровода и физико-химических свойств грунтов, обычно находится в пределах – 0,23÷0,72 В по медно-сульфатному электроду сравнения (МЭС), в расчетах принимается равным – 0,55 В. В плотных, влажных, плохо аэрируемых глинистых грунтах стационарный потенциал более отрицателен, чем в песчаных почвах. В практике коррозионных обследований магистральных трубопроводов стационарный потенциал принято называть естественным потенциалом U ест , подразумевая при этом отсутствие на трубопроводе блуждающих и других наведенных токов. Критерием защищенности металлического сооружения от коррозии является потенциал U защ «труба-грунт», который устанавливается после включения станции катодной защиты. Практически считается, что подземные стальные сооружения защищены на 80 - 90% от коррозии при достижении разности потенциалов значения – 0,85 В. Приборы и схема измерения потенциала «труба-грунт» на модели трубопровода (рисунок 4). 16 Рисунок 1 – Неполяризующийся медно-сульфатный электрод сравнения ЭН-1: 1 – контакт; 2 – резиновая прокладка; 3 – пластмассовая крышка; 4 – пористая керамическая чашка; 5 – медный стержень Рисунок 2. – Медно-сульфатный электрод сравнения НМ-СЭ-58: 1 – медный электрод; 2 – корпус; 3 – кольцо; 4 – колпачок; 5 – диафрагма; 6 – резиновое кольцо; 7 – подвеска; 8 – пробка Рисунок 3 – Стационарный медно-сульфатный электрод сравнения с датчиком электрохимического потенциала 17 Рисунок 4 – Установка: 1 – модель трубопровода; 2 – милливольтамперметр М-231; 3 – медно-сульфатный неполяризующийся электрод сравнения ЭН-1; 4 – соединительные провода Ход работы 1. Сущность метода Сущность метода заключается в измерении на трассе проектируемого сооружения разности потенциалов между двумя точками земли через каждые 1000 м по двум взаимно перпендикулярным направлениям при разносе измерительных электродов на 100 м для обнаружения блуждающих токов. 2. Аппаратура Вольтметры с внутренним сопротивлением не менее 20 кОм на 1 В шкалы с пределами измерений: 0,5-0-0,5 В; 1,0-0-1,0 В; 5,0-0-5,0 В или другими близкими к указанным пределам. Медносульфатные электроды сравнения. 3. Проведение измерений Измерительные электроды располагают параллельно будущей трассе сооружения, а затем перпендикулярно к оси трассы. Показания вольтметра снимаются через каждые 5÷10 с в течение 10÷15 мин. в каждой точке. 18 Если наибольший размах колебаний разности потенциалов (абсолютной разности потенциалов между наибольшим и наименьшим значениями) превышает 0,50 В, это характеризует наличие блуждающих токов. Схема собирается согласно рисунка 4. Перемещая магнит по поверхности трубы, проводят замеры стационарного потенциала «труба- грунт» в различных точках трубопровода по милливольтамперметру. Интервал между отсчетами принимают 5÷10 сек. Определяют среднее значение потенциала. В работе следует проследить, как изменяется естественный потенциал в грунтах с различной влажностью и плотностью. Вывод. В ходе лабораторной работы было изучено устройство, назначение и принцип работы медно-сульфатного электрода сравнения, а также измерение потенциала «труба–земля». Контрольные вопросы 1. Образование двойного электрического слоя (ДЭС). Возникновение на межфазной поверхности ДЭС является результатом взаимодействия сопряженных фаз за счет избыточной поверхностной энергии. Стремление гетерогенной системы к уменьшению поверхностной энергии вызывает определенное ориентирование полярных молекул, ионов или электронов в поверхностном слое, вследствие чего соприкасающиеся фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины. В результате на границе раздела фаз возникает ДЭС, обуславливающий различные электроповерхностные явления. 2. Понятие электродного потенциала металла, нормального потенциала металла. Потенциал электрода, опущенного в электролит, называется электродным потенциалом. Его значения зависят от многих факторов: материала электрода, состава электролита, температуры, давления и т. д. Величину электродного потенциала измеряют относительно некоторого 19 выбранного электрода сравнения, потенциал которого принимают равным нулю. В качестве электрода сравнения обычно принимают стандартный водородный электрод. Стандартным электродным потенциалом (j 0 ) называется потенциал металла, погруженного в раствор собственной соли и измеренный относительно водородного электрода в стандартных условиях. Стандартные условия: концентрация ионов в растворе 1 моль/л, температура Т = 298 К, давление Р = 1,01325∙10 5 Па. По результатам измерений получен ряд стандартных электродных потенциалов, который позволяет дать количественную характеристику электрохимической активности металлов. Чем меньше значение φ 0 , тем сильнее выражены восстановительные свойства металла, т. е. он легче отдает электроны, легче окисляется. Чем больше значение φ 0 , тем сильнее окислительные свойства катиона металла, находящегося в растворе. 3. Образование потенциала «труба–земля». В зависимости от места расположения электрода сравнения различают потенциалы трубопроводов по отношению к близкой или к далекой земле. Измерения потенциала трубопровода по отношению к близкой земле производят с помощью стационарных установленных в КИП, либо переносных медносульфатных электродов сравнения, помещаемых на поверхности грунта непосредственно над исследуемым трубопроводом или в колодце, или камере. Потенциал трубопровода по отношению к далекой земле измеряют с помощью переносных медносульфатных электродов, расположенных на значительном расстоянии от трубопровода. 4. Значение потенциалов, критерий защищенности сооружения от коррозии. Критериями защиты металла от коррозии являются защитная плотность тока и защитный потенциал. 5. Электроды сравнения (норм. водородный, МЭС, стальной). 20 Электроды сравнения – электрохимические системы, предназначенные для измерения электродных потенциалов. Необходимость их использования обусловлена невозможностью измерения величины потенциала отдельного электрода. В качестве электрода сравнения может быть использован электрод, обладающий постоянным и не зависящим от состава раствора потенциалом. При этом необязательно знать числовую величину потенциала. Значение потенциала должно воспроизводиться и не изменяться от опыта к опыту. Существенными требованиями к электродам сравнения являются низкое электрическое сопротивление, отсутствие влияния на состав анализируемого раствора, способность не вызывать появления значительного диффузионного потенциала и, несомненно, простота конструкции. Универсальным электродом сравнения является стандартный водородный электрод (описание электрода – 3.3), но для практической работы он неудобен из-за необходимости использования очень чистого водорода и ряда других причин. Электродами сравнения могут быть электроды II рода в растворе электролита с анионом малорастворимой соли. Потенциал электрода сравнения служит точкой отсчета, по отношению к которой измеряют потенциал индикаторного электрода. Но и индикаторный электрод, в принципе, может служить также и электродом сравнения, если создать условия, при которых потенциал такого индикаторного электрода остается неизменным в процессе анализа. Так, например, в потенциометрическом методе кислотно-основного титрования можно взять в качестве электрода сравнения хингидронный электрод в буферном растворе с определенной величиной рН (описание хингидронного электрода – 3.3). В потенциометрическом окислительно-восстановительном титровании индикаторным электродом может служить платиновый электрод, а электродом сравнения, например, молибденовый электрод, поверхность 21 которого покрыта оксидной пленкой. Платиновый электрод реагирует на изменение соотношения концентраций окисленной и восстановленной форм определяемого элемента изменением своего потенциала. При этом титруемый раствор должен содержать большой избыток свободной кислоты, чтобы кислотность этого раствора практически не изменялась в процессе титрования. В таких условиях молибденовый электрод является электродом сравнения, сохраняя постоянный потенциал. Главное требование, предъявляемое к электроду сравнения – постоянство величины потенциала электрода в течение всего времени использования электродной системы. Значения потенциалов стандартных электродов известны, что позволяет применять их в прямой потенциометрии, когда необходимо определить абсолютную величину потенциала индикаторного электрода. В качестве электрода сравнения в потенциометрии часто используют каломельный электрод с насыщенным раствором хлорида калия, хлорсеребряный электрод. 22 Лабораторная работа № 5 «ПРОТЕКТОРНАЯ ЗАЩИТА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ» Цель работы: 1. Изучение процесса замены трубопровода гальваническим анодом. 2. Ознакомление с одной из методик определения протяженности защитной зоны протекторной установки. 3. Получение навыков в определении срока службы протекторов, подключенных к магистральному трубопроводу. 4. Изучить последовательность проведения работы, измерений при контроле установки протекторной защиты. Основные положения Протекторная защита (защита гальваническими средствами) является одной из разновидностей катодной защиты. Ее существенной особенностью является отсутствие в защитной системе специального источника постоянного тока. Необходимый для осуществления защиты ток получается путем создания гальванического элемента, в котором роль катода выполняет металл защищаемого сооружения, а роль анода – более электроотрицательный металл, чем защищаемый. Принципиальная схема протекторной защиты приведена на рисунке 1. При протекторной защите магистральных трубопроводов энергоотдача в гальваническом элементе (труба-протектор) сравнительно невелика, благодаря чему гальванические аноды приходится часто располагать вдоль защищаемого трубопровода. Как следует из принципа протекторной защиты, в качестве материалов для анодов, образующих с 23 защищаемым металлом гальванический элемент, могут быть взяты металлы более электроотрицательные, чем защищаемые. Рисунок 1 – Схема протекторной защиты магистральных трубопроводов: 1 – защищаемый трубопровод; 2 – протектор; 3 – соединительный изолированный кабель; 4 – слой активатора Наиболее широкое применение в протекторной защите магистральных трубопроводов получили металлы: цинк, магний, алюминий и их сплавы. Характеристика этих металлов приведена в таблице 1. Таблица 1 – Основные физико-химические свойства магния, цинка, алюминия и железа Показатели Магний Цинк Алюми- ний Железо 1. Атомный вес 24,32 65,38 26,97 95, 83 2. Валентность 2 2 3 2 и 3 3. Плотность, г/см 3 1,74 7,10 2,70 7,97 4. Температура плавления, ºC 650 420 659 1599 5. Электрохимический эквивалент а, час/кг 2200 820 2980 960 6. Нормальный потенциал металла С (по водородному электроду), b – 2,34 – 0,76 – 1,767 – 0,44 Наиболее широкое распространение получили протекторы типа МГА – 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Эксплуатация гальванических анодов показала, что на их поверхности во многих случаях образуются защитные пленки, 24 снижающие их электродный потенциал, благодаря чему резко снижается их защитное действие. Для устранения этого недостатка гальванические аноды окружают слоем активатора, представляющего собой сплав сернокислых солей магния, натрия, кальция и глины. Ход работы Требуется определить протяженность защитной зоны протекторной установки и срок службы протекторов, подключенных к магистральному трубопроводу диаметром Д, мм, уложенному в грунт с удельным сопротивлением гр , Ом м. Трубопровод имеет изоляционное покрытие с переходным сопротивлением R пн , Ом м 2 Протекторы установлены на глубине h = 2 м, на расстоянии a = 5 м друг от друга в группе. Таблица 2 – Исходные данные Вариант Д, мм гр , Ом м R пн , Ом м 2 N, штук число протекторов В, м, расстояние от протектора до трубы Марка протектора 1 530 40 7 10 3 5 10 ПМ-5У Сопротивление изоляции трубопровода на единице длины R из.к определяется по следующей формуле при заданном R п.к 3 7 10 3190, 23 3,14 0,53 пн из к н из к R R D R Ом м Сопротивление растеканию тока с протекторной установки, при вертикальном расположении протекторов 0, 366 4 2 1 ln ln ln 2 4 гр np ак ак ак ак np ак э ак np ак гр np h l l d R l n d h l d 25 где ρ гр – удельное сопротивление грунта, окружающего комплектный протектор; ρ ак – удельное сопротивление активатора; d ак , l ак – соответственно диаметр и длина активатора, (комплектного протектора); d пр – диаметр протектора, м; h пр – глубина установки протектора (от поверхности земли до середины протектора); n – число протекторов в установке; η э – коэффициент, учитывающий взаимное экранирование вертикальных протекторов в группе. Для ориентировочных расчетов может быть принят равным 0,7, при защите одиночными протекторами η э = 1,0. Размеры протектора принимаем из таблицы 6. Таблица 3 – Техническая характеристика магниевых протекторов Тип протектора Размеры протектора, мм Масса, кг l n d n l a d a ПМ-5У 500 95 580 165 5 0, 366 40 2 0,58 1 4 0,165 0,58 0, 2 0,165 ln ln ln 23, 96 0,58 5 0, 7 0,165 2 4 0,165 0,58 40 0,116 np R Ом Протяженность защитной зоны протекторной установки min 1 np из к n np E R l R E где Е пр – потенциал протектора до подключения его к трубопроводу, В 3190, 228 1, 6 1 117, 48 23, 96 0,85 n l м Сила тока протекторной установки при подключении ее к трубопроводу n ecm n mp np E E I R R 26 где Е ест – естественный (стационарный) потенциал, существующий до включения защиты, находится в интервале от минус 0,23 до минус 0,72 В. Если не имеется точных данных о величине естественного потенциала стали в рассматриваемом грунте, то рекомендуется принимать Е min = – 0,55 В; R тр – сопротивление растеканию тока защищаемого участка трубопровода 2 2 m из к mp n R R R l h здесь R т – продольное сопротивление трубопровода на единице длины, определяемое по формуле 6 6 6 10 0, 245 10 10,8 10 / 3,14 0,53 0, 014 0, 014 cm m н н н m R D R Ом м α – постоянная распределения потенциалов и токов вдоль трубопровода, определяемая по формуле 6 6 10,8 10 58,18 10 3190, 228 m из к R R 6 6 10,8 10 3190, 228 13,577 58,18 10 117, 48 2 2 2 mp R Ом 1, 6 0,55 0,101 13,577 23, 96 n I A Анодная плотность тока 2 2 2 2 2 0, 785 0,101 0,123 / 1, 23 / 3 3,14 0, 095 0,5 2 0, 785 0, 095 n a n n n a I j n d l d j А м мА дм Срок службы протекторной установки 27 n u n n n M n T q I где M n – масса одного протектора; n – число протекторов одной протекторной установке; q п – электрохимический эквивалент материала протектора, для магниевых протекторов q п = 3,95 кг/(А·год); η и – коэффициент использования протекторов равный 0,95; η п – коэффициент полезного действия протектора, зависящий от анодной плотности тока и определяемый по графику 1 5 5 0,95 0, 4 23,78 3,95 0,101 T года |