Кац Н.Г., Стариков В.П., Парфенова С.Н. Химическое сопротивление материалов и защита оборудования нефтегазопереработки от коррозии

Подождите немного. Документ загружается.

279

Модуль упругости при растяжении определяется как отношение

приращения напряжения к соответствующему приращению относи-

тельного удлинения. Модуль упругости наиболее жестких пластмасс

в 5-10 раз ниже, чем металлов. Модуль упругости при изгибе опреде-

ляется по ГОСТ 9558.

Твердость пластмасс определяют методом вдавливания стального

шарика в поверхность образца по ГОСТ 4670.

Коррозионные испытания образцов пластмасс в напряженно-

деформированном состоянии проводят с помощью приспособления,

имеющего образующую эллиптической формы (рис. 6.2) [22, 23].

Рис. 6.2. Приспособление для создания

напряженно-деформированного состояния пластмасс:

1 – эллипс; 2 – прижимная планка; 3 – винты;

4 – шкала отсчета по ГОСТ 12020

Приспособление изготавливается из материала, стойкого к воз-

действию агрессивной среды, по размерам, зависящим от модуля уп-

ругости материала.

280

Для испытаний применяют образцы материала в форме полосок

шириной 20 мм и толщиной 1-2 мм, длина равна длине эллиптиче-

ской поверхности приспособления. Образец закрепляют на этой по-

верхности и погружают в сосуд с коррозионной средой.

После испытаний под микроскопом определяют длину участка

растрескивания и вычисляют деформацию растрескивания по формуле

















 z

ТР





где

– длина большой полуоси эллипса приспособления для испыта-

ний;

– длина малой полуоси эллипса;



– толщина образца;

– длина участка растрескивания.

Для получения более корректных данных об изменении механи-

ческих свойств неметаллических материалов во времени широкое

применение находят методы длительных испытаний в условиях, при-

ближенных к условиям эксплуатации. Испытания проводят с исполь-

зованием различных приспособлений, позволяющих создать механи-

ческие нагрузки, повышенную или пониженную температуру, кон-

такт с агрессивной средой и др. [23].

Наибольшую количественную информацию о кинетике процесса

разрушения можно получить при испытаниях с постоянным растяги-

вающим напряжением (для эластически и пластически деформируе-

мых материалов) или с постоянной нагрузкой (чаще используется для

жестких высокопрочных пластмасс). При проведении испытаний в

агрессивных средах установку герметизируют.

Испытания неметаллических материалов на растяжение могут

проводиться с использованием приспособления (рис. 6.3) с электри-

ческой регистрационно-измерительной системой [22].

Установка состоит из нагрузочных секций, монтируемых на

верхней и нижней опорных плитах. Обе опорные плиты укреплены на

281

штанге, при этом образуется единая жесткая конструкция. Для на-

блюдения за ростом трещин и кинетикой перераспределения напря-

жений в образце на установке можно смонтировать микроскоп.

Профиль фигурного рычага задается соотношением:



1

, (6.4)

где

R – начальный радиус кривизны рычага;

– текущий радиус;



– относительное удлинение образца.

Рис. 6.3. Схема установки для коррозионных испытаний

при растяжении:

1 – диск нагрузочный; 2 – рычаг фигурный; 3, 4 – плиты опорные;

5, 6 – грузы; 7 – термостат; 8 – ячейка; 9 – образец; 10 – регистратор

282

Для реализации напряжений сжатия используется приспособле-

ние, представленное на рис. 6.4 [18]. Устройство работает следую-

щим образом. Испытуемые образцы устанавливают в ячейках 3 меж-

ду шарнирами 8 и 9 и штампами 6 и 7. Затем ячейки с образцами 5

устанавливают в термостате 2. Соединяют штампы 7 через направ-

ляющие 10 с пластинами 12, а на пластинах 11 укрепляют грузы 13.

Термостат 2 заполняют теплоносителем и поддерживают определен-

ную температуру.

Рис. 6.4. Устройство для коррозионных испытаний образцов

под нагрузкой:

1 – станина, 2 – термостат, 3 – ячейка, 4 – нагреватель, 5 – образец,

6, 7 – штампы, 8, 9 – шарниры, 10 – направляющая, 11, 12 – пластины,

13 – груз, 14 – регистратор, 15 – тензостанция

Таким образом, образцы 5 подвергаются одновременному воз-

действию температуры, агрессивной среды и сжимающей нагрузки.

За счет периодического изменения массы грузов возможно создание

малоцикловой нагрузки.

283

Имеется аналогичное приспособление для испытаний образцов

конструкционных материалов в агрессивной среде в условиях чисто-

го изгиба. Схема устройства приведена на рис. 6.5 [19].

Приспособление содержит две цилиндрические опоры в виде ро-

ликов 1 и 2 и один или несколько нажимных подпружиненных эле-

мента. В ячейку 3 устанавливают плиты с полусферическими опора-

ми, на которых размещают ролики. Поверх роликов 1 и 2 устанавли-

вают образец 4 и размещают ячейки в термостате 5. Элементы конст-

рукции соединяют шарнирами и с помощью грузов через рычаги 6,

направляющие 8 и ролики 7 создают усилия на образцах. Наличие

подпружиненных элементов обеспечивает плавное приложение на-

грузки к образцу, необходимое ее распределение и поддерживает ее

постоянной в процессе испытаний.

Рис. 6.5. Приспособление для испытаний образцов материалов

на чистый изгиб в агрессивной среде:

1, 2, 7 – ролики, 3 – ячейка, 4 – образец, 5 – термостат,

6 – рычаг, 8 – направляющая

Обязательному коррозионному контролю подлежат полимерные

и лакокрасочные покрытия, применяемые для защиты от агрессивных

сред и атмосферной коррозии. Основные характеристики, опреде-

284

ляющие защитные свойства лакокрасочных покрытий: сплошность,

проницаемость (как быстро компоненты агрессивной среды прони-

кают через пленку), химическая стойкость, адгезия к защищаемой по-

верхности, ударная прочность, твердость и эластичность.

Для определения сплошности покрытий используют высокочас-

тотные или электроконтактные дефектоскопы. Наличие дефекта в

пленке определяется по звуковому сигналу или стрелочному индика-

тору.

В настоящее время существует три группы методов определения

коэффициентов диффузии и проницаемости компонентов агрессив-

ных сред [23]:

 методы, основанные на измерении проницаемости;

 методы, основанные на измерении физико-химических свойств

полимеров;

 методы, основанные на регистрации положения движущейся

границы вещества в полимере.

Определение диффузионных параметров методом проницаемости

основано на регистрации количества вещества, переносимого за еди-

ницу времени через единицу площади полимерной пленки. Значение

коэффициента диффузии может быть найдено двумя способами.

Первый способ базируется на данных по проницаемости и рас-

творимости вещества в полимере. Коэффициент диффузии рассчиты-

вается по формуле, полученной из первого закона Фика [22, 23, 34]:







, (6.5)

где

– объем ячейки, в которой регистрируется вещество;



– толщина пленки полимера;

F – площадь пленки полимера;

t – время;

285

c и

c – концентрации вещества в поверхностном слое полиме-

ра со стороны раствора вещества постоянной концентрации и со сто-

роны измеряемого раствора соответственно.

Второй способ основан на знании времени запаздывания, т. е.

времени, в течение которого вещество не может быть зарегистриро-

вано в камере с измеряемым раствором.

Определение диффузионных параметров с помощью методов, ос-

нованных на измерении физико-химических свойств, заключается в

прямом или косвенном фиксировании количества компонентов агрес-

сивной среды в материале.

Коэффициент диффузии может быть найден из уравнения [23]



0494,0

D  , (6.6)

где

– глубина проникновения среды;



– время, за которое произошло проникновение.

Для определения коэффициента диффузии также могут исполь-

зоваться спектральные методы, методы радиоактивных изотопов, ме-

тод электропроводности или электрохимического потенциала и дру-

гие.

Определение диффузионных параметров возможно по регистра-

ции границы вещества в материале. Скорость перемещения зоны за-

данной концентрации вдоль направления диффузии может быть рас-

считана по уравнению [23]



 , (6.7)

где

X – глубина границы заданной концентрации

С за время t;



– константа проникновения.

286

В общем случае время защитного действия покрытия складыва-

ется их нескольких составляющих [23]:

321







защ

, (6.8)

где



– время непроницаемости покрытия, характеризующееся неста-

ционарным переносом среды в материал;



– время накопления среды в покрытии, характеризующееся

стационарным переносом среды;



– время достижения недопустимых изменений на защищаемой

поверхности.

Работоспособность защитного покрытия, как правило, определя-

ется первым слагаемым уравнения (6.8). В этом случае достаточно

зафиксировать время контакта среды и подложки, на которую нане-

сено покрытие. Для этих целей может быть использован электрохи-

мический метод, который заключается в измерении величины потен-

циала, возникающего на межфазной границе «подложка – покрытие»

[17, 36]. При проникновении агрессивной среды через полимерное

покрытие к подложке (в момент контакта) наблюдается скачкообраз-

ное изменение значения электрохимического потенциала в отрица-

тельную сторону (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Зависимость электрохимического потенциала покрытия (1),

металла (2) и покрытия с дефектом (3) от продолжительности

выдержки образца в 5,0%-ном растворе серной кислоты;

покрытие из смолы ПН-16 (а) и ЭД-20 (б)

287

Непостоянство электрохимического потенциала в начальный пе-

риод контакта агрессивной среды с подложкой можно объяснить не-

большим количеством проникшего к подложке электролита. В даль-

нейшем количество электролита увеличивается, повышается надеж-

ность его контактирования с подложкой, в результате этого стабили-

зируется значение электрохимического потенциала в системе «под-

ложка – полимер – среда». Необходимо отметить, что момент резкого

изменения электрохимического потенциала системы характеризуется

изменением вида кинетической кривой сорбции. Визуальные наблю-

дения за состоянием поверхности подложки после извлечения образ-

цов из раствора агрессивной среды свидетельствует о наличии следов

коррозии в виде пятен. Повышения информативности этого метода

можно добиться путем предварительной поляризации образца.

Для исследования лакокрасочных покрытий может использовать-

ся импедансный метод, не оказывающий разрушающего действия на

испытуемую систему. Обычно импедансным методом пользуются

при исследовании неэлектропроводных покрытий, однако он приме-

ним и для электропроводных покрытий. Наиболее хорошие результа-

ты этот метод дает при исследовании тонкослойных покрытий, для

которых возможно применение простых эквивалентных схем заме-

щения (рис. 6.7) [22, 23].

Качество покрытия может быть оценено по активной составляю-

щей импеданса

R . Для этого необходимо собрать установку, пред-

ставленную на рис. 6.8, и выполнить расчет по формуле (6.9):

Cos

Sin

Cos

)()1(

222











, (6.9)

где

R – сопротивление шунта;

U – напряжение, подаваемое с генератора сигналов;

U – падение напряжения на шунте;



– угол сдвига фаз.

288

Рис. 6.7. Эквивалентные схемы, имитирующие сопротивление

и емкость покрытий:

а – свободная пленка в электролите; б, в – пленка покрытия на металле;

– сопротивление слоя, пропитанного средой; R

– сопротивление

слоя, не пропитанного средой; С

– емкость, создаваемая пленкой,

перегораживающей проникновение электролита; С

1,2

– емкость,

создаваемая пленкой после проникновения среды к металлу

Рис. 6.8. Схема экспериментальной установки:

1 – генератор звуковых сигналов; 2 – осциллограф;

3 – измерительная ячейка; 4 – цифровые вольтметры;

5 – шунтирующее сопротивление R