Комплекс для исследования электрохимических характеристик корпусных конструкций судов и плавучих технических сооружений
COMPLEX FOR INVESTIGATION OF ELECTROCHEMICAL CHARACTERISTICS OF SHIP HULL STRUCTURES AND FLOATING TECHNICAL STRUCTURES

Изобретение относится к экспериментальным исследованиям электрохимических характеристик металлов корпусных конструкций судов и плавучих технических сооружений, в частности, к лабораторным испытаниям металлических образцов в модельных растворах морской воды.
Назначение данного комплекса - определение электрохимических характеристик металлов на ювенильной поверхности при катодной поляризации. Ювенильная поверхность (далее - ЮП) является свежеобразованной поверхностью, т.е. поверхностью без оксидных пленок, в этом случае электрохимические характеристики аналогичны показателям на поверхности металла в вершине трещины или иного локального дефекта.
В состав комплекса для исследования электрохимических характеристик корпусных конструкций судов и плавучих технических сооружений на ювенильной поверхности при катодной поляризации (фиг. 1) входит:
- потенциостат-гальваностат IPC-Pro MF (1) со входами для подключения вспомогательного электрода (2), рабочего электрода (3) и электрода сравнения (4), позволяющий провести исследование поверхности металла как с оксидной пленкой, так и без оксидной пленки в условиях катодной поляризации;
- вспомогательный электрод (5), необходимый для осуществления катодной поляризации рабочего электрода;
- электрохимическая ячейка (6) с модельным раствором морской воды;
- установка для создания ювенильной поверхности образца (7), особенность которой состоит в возможности определения потенциала металла без оксидной пленки (на свежеобразованной поверхности металла, которая имитирует состояние вершины локального разрушения);
- источник постоянного тока (8) для обеспечения непрерывной работы установки (7);
- рабочий электрод (9) - различные виды сталей (углеродистые, легированные, коррозионностойкие);
- пористый хлорсеребряный электрод сравнения (10) [1], потенциал которого по отношению к водородному электроду при комнатной температуре равен плюс 200 мВ;
- вольтметр (11), для контроля значения потенциала на поверхности металла;
- компьютер (12) с установленным программным обеспечением IPC2000.
Установка для создания ювенильной поверхности образца (фиг. 2) состоит из основания (13), выполненного из эбонитовых плит; стальной телескопической направляющей (14); двигателя постоянного тока (15), который крепится к подвижной части направляющей посредством хомута (16); шпинделя (17) из токонепроводящего материала установленный на оси двигателя, к которой крепится шлифовальный диск (18) в виде вулканитового камня для получения ювенильной поверхности; электрохимической ячейки (6), которая закреплена на основании крепежным уголком (19) и кольцами-держателями (20), при креплении использованы стандартные болты (21); кронштейна (22) закрепленного на верхней части основания; электронных весов (23) прикрепленных к двигателю на шпильке (24); шпильки (25) фиксируемой в кронштейне с помощью регулировочной гайки (26), что позволяет поднимать и опускать двигатель для погружения рабочего электрода (9) в ячейку и задания определенной нагрузки.
Электрохимическая ячейка (6) заполняется модельным раствором морской воды (27). В ячейку погружается рабочий электрод (9), пористый хлорсеребряный электрод сравнения (10) и вспомогательный электрод (5). К потенциостату-гальваностату все электроды присоединяются с помощью контактов (28).
Известно устройство для электрохимического исследования коррозии металлов RU 2 533 344, (21) 2013131950/28, (22) 09.07.2013, (24) 09.07.2013, (45) 20.11.2014 Бюл. №32, отличающееся тем, что позволяет проводить исследования коррозионных процессов графическим методом, преимуществом которого является то, что графические зависимости легко устанавливаются экспериментально даже для наиболее сложных случаев коррозии, которые отвечают реальным условиям эксплуатации металлических конструкций. Исследование коррозионного поведения материалов в различных средах с помощью построения коррозионных диаграмм позволяет оценить характер воздействия отдельных факторов на скорость коррозии, а также выявить наиболее значимый (лимитирующий) процесс (установить степень анодного, катодного и омического контроля).
Недостатками данного технического решения являются:
1. Экспериментальные данные не регистрируются автоматически, необходимо ручное построение коррозионных диаграмм.
2. Для оценки эффективности работы протектора необходимо выполнение расчета степени анодного, катодного и омического контроля, а также весового показателя коррозии.
3. Устройство не позволяет произвести оценку коррозии ювенильной поверхности металла.
Известен способ определения порога напряжений коррозионного растрескивания стали или сплава при постоянной деформации RU 2 634 800, (21)2016145747, (22)22.11.2016, (24)22.11.2016, (45)03.11.2017  Бюл. №31, который предназначен для испытания образцов, как в лабораторных, так и в промышленных условиях. Технической задачей способа является оценка значения порогового напряжения, вызывающего коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) стали и сплава в данной коррозионной среде, с последующим проектированием и изготовлением узлов и деталей промышленного оборудования и трубопроводов из этих материалов таким образом, чтобы напряжения в них, возникающие при изготовлении, пуске и эксплуатации, не превышали значения порогового напряжения, что позволит предотвратить КРН этих узлов и деталей промышленного оборудования и трубопроводов.
Недостатком предложенного выше способа является то, что данный способ позволяет предотвратить КРН сталей и сплавов посредством учета напряжения, возникающего в узлах и деталях, но не обеспечивает отсутствия трещин и других видов разрушений, на которые не влияют эти напряжения. В заявляемом изобретении эта проблема решается при помощи определения значения защитного электрохимического потенциала стали без оксидной пленки в системах катодной защиты, что предотвратит дальнейшее разрушение трещин и локальных дефектов.
Определение потенциала металла без оксидной поверхностной пленки, например, в вершине трещины или другого локального дефекта является одним из основных фактором для предотвращения их развития. Традиционные методы исследования в этом случае дают необъективные результаты из-за ряда причин: современные измерительные приборы позволяют измерять электрохимические потенциалы металлов только на их поверхности; наличие изменения потенциала металла в зависимости от его толщины; невозможность определения потенциала в вершине локального дефекта.
Ранее были предприняты попытки определения потенциала металла в вершине трещины. Например, было предложено использовать растягивающую машину, которая позволяла разрывать образец и на месте образовавшейся трещины измерить потенциал в месте разрыва [2]. Однако, учитывая быстрое образование оксидной пленки на поверхности разрыва образца, измерение потенциала было затруднено. Причем для проведения опыта предполагалось наличие разрывной машины, что накладывает дополнительные расходы на оборудование лаборатории.
Исходя из значимости наличия оксидной пленки на поверхности металла авторами разработана установка для создания ювенильной поверхности образца (фиг. 2), которая позволяет проводить исследования электрохимических характеристик металлов без поверхностных, оксидных пленок. Особенность установки состоит в возможности определения потенциала металла в вершине локального разрушения, т.е. на ЮП. Также данная установка позволяет исследовать разные металлические материалы при различной степени очистки их поверхности, различных температурах, в воде любой солености и в том числе с содержанием примесей (например, сероводород).
Принцип работы основан на вращении элемента для получения ЮП по поверхности рабочего образца под разным давлением с различной частотой вращения. Вращение элемента достигается включением двигателя на различные обороты, которые регулируются входным напряжением от 12 до 27 В и измеряются с помощью тахометра. Давление на образец меняется вращением регулировочной гайки и контролируется электронными весами.
-3
2
-2
2
Разработанная система изменения нагрузки на образец во время снятия поверхностных оксидных пленок (зачистки) позволяет изменять давление на данный образец в пределах от 10 кг/мм до 10 кг/мм в зависимости от его площади. Шпиндель, применяемый в установке, позволяет быстро и без особого труда производить замену шлифовального диска в зависимости от условий экспериментов.
Зависимость частоты вращения двигателя от выходного напряжения источника постоянного тока представлена в таблице 1.
Для определения оптимальной скорости зачистки были проведены опыты на трех образцах сталей различных марок. Как видно из фиг. 3-5, скорость зачистки незначительно влияет на значение потенциала без оксидной пленки, поэтому для исследований рекомендована принимать среднюю скорость зачистки равную 2700 об/мин.
2
В современной промышленности, в том числе и судостроительной, применяется широкий круг металлов с различными физическими и физико-химическими свойствами: углеродистые, низколегированные, легированные и коррозионностойкие стали, сплавы на основе меди, алюминия и т.д. Технология изготовления и сборки образцов (фиг. 6), рабочих электродов, обеспечивает надежную герметизацию нерабочих поверхностей (29), что выполняется в соответствии с ГОСТ 9.305-84. Образцы изолированы от электролита токонепроводящей краской для создания только одной рабочей поверхности (30) и представляют собой диск диаметром 25 мм (0,002 м) и толщиной 3-4 мм с прикрепленной к ним соединительной токопроводимой ножкой (31) с контактной клеммой (28). Перед началом эксперимента рабочая поверхность образцов зачищается для удаления коррозионного налета, затем шлифуется и обезжиривается.
Фиг. 1 представляет комплекс для исследования электрохимических характеристик корпусных конструкций судов и плавучих технических сооружений. Двигатель, имеющий различные скорости вращения, питается от источника постоянного тока (8) - это импульсный преобразователь сетевого напряжения в постоянное выходное регулируемое напряжение (до 27 В) с максимальным регулируемым током до 15 А. Высокая выходная мощность, небольшие габариты, стабильность параметров, возможность непрерывной работы на полной мощности источника питания позволяют использовать его при работе с установкой в течение длительного времени. Установка для создания ювенильной поверхности образца (7) позволяет непрерывно снимать поверхностный оксидный слой с исследуемого образца металла (9). Измерение потенциала металла определяется относительно хлорсеребряного электрода сравнения (10) с помощью вольтметра (11) и потенциостата-гальваностата путем подключения электрода сравнения к выходу (4).
Для проведения исследования влияния поверхностных оксидных пленок на потенциал стали подготавливается модельный раствор морской воды (NaCl в дистиллированной воде) с различной концентрацией, что соответствует концентрации соли в морской воде различных бассейнов.
Работа комплекса (фиг. 1) осуществляется следующим образом.
Исследуемый образец погружается в электрохимическую ячейку (6) с модельным раствором морской воды, выдерживается в нем до установления стационарного потенциала.
После чего запускается установка для создания ювенильной поверхности металла (7), которая непрерывно удаляет оксидную пленку.
С помощью потенциостата (1) проводится катодная поляризация рабочего образца (9). Настройка программы поляризации выполняется с помощью программатора на компьютере (12) с установленным программным обеспечением IPC2000. Пример программы приведен на фиг. 7.
Потенциал стали измеряется относительно электрода сравнения (10), имеющего в морской воде стабильный во времени потенциал.
Регистрация экспериментальных данных (сила тока и электрохимический потенциал) выполняется компьютером автоматически в течение всего эксперимента.
Результаты эксперимента выводятся на экран в виде графика, пример которого представлен на фиг. 8.
Для удобства проведения анализа результатов, можно изменить тип осей с I-Е на E-I и провести логарифмирование оси тока (фиг. 9).
Основной задачей применения комплекса является определение электрохимических характеристик корпусных конструкций судов и плавучих сооружений для их защиты в морской воде от общей коррозии, а также от локальных форм коррозионно-механических разрушений. Значения электрохимического потенциала, полученные в результате эксперимента, проведенного комплексом, могут быть рекомендованы для использования как защитного в системах катодной защиты судов и плавучих технических сооружений наложенным током, обеспечивая потенциал незаряженной поверхности стали, в том числе и на поверхности без оксидной пленки. К основным характеристикам такой защиты относятся: подавление процесса адсорбции анионов и катионов; предотвращение процесса растрескивания стали; стабилизация процесса катодной поляризации при потенциале незаряженной поверхности, когда на поверхности стали не возникает заряда по отношению к морской воде и заторможена электростатическая адсорбция; создание условия для специфической адсорбции, при которой не наблюдается эффект Ребиндера и восстанавливается поверхностная прочность.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и города Севастополь в рамках научного проекта №18-48-920017.
Источники информации
7
1. Пат. 93240 Украина, МПК G01N 27/30, Н01M 4/34. Способ изготовления пористого хлорсеребряного электрода сравнения / Ожиганов Ю.Г., Ожиганов О.Ю., Лебедь Е.К., Иванова О.А.; заявитель и патентообладатель СевНТУ. - №а200813288; заяв. 17.11.08; опубл. 25.01.11, Бюл. №2.
2. Ожиганов Ю.Г. Коррозионная усталость металлов, применяемых в судовом машиностроении: дис. д-ра техн. наук / Ожиганов Юрий Григорьевич. - Севастополь, 1980. - 391 с.