X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Современные технологии, уровень глобализации и темпы роста экономики заставляют строить более высокие, массивные, тяжелые конструкции и сооружения. Мегаполисы расширяются, охватываются новые территории включая территории с неблагоприятными, сложными и экстремальными погодными условиями. Обеспечение надежности, работоспособности, ремонтопригодности и безопасности изделий, деталей, конструкций и сооружений является важным направлением в любой отросли. Данные факторы определяют актуальность исследования коррозионной стойкости металлов, т.к. они являются основой в строительстве любых комплексов, зданий и машин, от эксплуатации которых зависит безопасность и жизнедеятельность населения [1,2].

Проблема расхождения результатов ускоренных испытаний изделий на коррозионную стойкость и результатов во время эксплуатации изделий при реальных условиях по-прежнему существует. Это происходит из-за сложности оценки процессов пассивации и растворения, протекающих на поверхности металлических покрытий. Для решения данной проблемы необходима автоматизация процесса оценки и обработки результатов.

Коррозия - это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Термин коррозии относится только к металлам и их сплавам. Для полимеров применительно определение «старение» аналогичное термину «коррозия» для металлов. Процесс коррозии - химический процесс, скорость которого сильно зависит от температурных условий [3]. По типу, коррозия делится на 4 вида: электрохимическая, водородная, кислородная и химическая коррозия. Электрохимическая коррозия - наиболее распространенный вид коррозии металлов, это разрушение металла в среде электролита с возникновением внутри системы электрического тока. Водородная коррозия - повреждение стали и ее охрупчивание под влиянием длительного воздействия водородной среды при повышенных температурах(200°С). Химическая коррозия — это процесс разрушения металла, вследствие взаимодействия металла и коррозионной среды без образования или воздействия электрического тока. Одновременно окисляется металл и идет восстановление коррозионной среды. Причиной возникновения коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов. Они способны самопроизвольно переходить в более устойчивое состояние в результате соединения металла с окислительным компонентом среды. При этом, термодинамический потенциал системы уменьшится. Если изобарно-изотермический потенциал ΔG > 0 коррозия невозможна, ΔG < 0 коррозия возможна, ΔG = 0 система находится в равновесии.

Далее будет рассмотрен весовой метод проведения испытаний на коррозионную стойкость металлов. Для более эффективных испытаний, необходимо создать и применить модель или метод автоматизации оценки результатов испытаний, которые сократят время проведения испытаний и повысят их точность. Весовой метод заключается во взвешивании образцов до и после воздействия агрессивной среды. Образцы взвешиваются на весах с большой точностью, далее подвергаются воздействию агрессивной среды на определённый промежуток времени t. Показатель коррозии по потере веса в г/м²*ч находится следующим образом: разность веса образца до и после испытания относится к общей площади поверхности образца (в м²) и одному часу испытания. Этот показатель называют скоростью коррозии металла (j).

j = Δm/t*S

Скорость коррозии пересчитывают на потерю веса в г/м²*год. Скорость проникания коррозии (Y) в мм/год определяют по формуле

Y = (j/δ)*10^-3 , где δ — плотность металла, г/см³.

Полученные результаты сравнивают с данными ГОСТа. По ГОСТ 13819—68 оценку коррозионной стойкости черных и цветных металлов, а также их сплавов при условии их равномерной коррозии проводят по десятибалльной шкале коррозионной стойкости.

В случае добавления ингибитора, защитное действие ингибитора оценивают коэффициентом торможения (K) и степенью защиты (Z).

K= j/j_i ,( j и j_i –скорость коррозии без и с применением ингибитора)

Z = (1-1/K)*100%

Значение эффективной энергии активации процесса коррозии W определяют на основе температурной зависимости:

W = -2,3Rtgα

tgα – угловой коэффициент зависимости lgj-1/T, R=8,31Дж/мольК, R – универсальная газовая постоянная

Для построения модели автоматизации оценки результатов испытаний необходимо прибегнуть к предмету и средствам «автоматизации производственных процессов». Автоматизация производственных процессов есть совокупность мероприятий по разработке технологических процессов, созданию и внедрению высокопроизводительных автоматически действующих средств производства, обеспечивающих непрерывный рост производительности труда, а также созданию и применению автоматизированных комплексов исследований и испытаний материалов и изделий из них [1]. Автоматизированная система управления технологическим процессом - это комбинированная (полуавтоматическая) система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием. Создать модель и написать программу автоматизации оценки результатов испытания можно с помощью следующих программ: MATLAB — высокоуровневый язык и интерактивная среда для программирования, численных расчетов и визуализации результатов и SIMULINK.

При подготовке образца к испытанию, перед процедурой корродирования, существует возможность термобароциклирования образца в БЭТА-анализаторе. Метод термобароциклирования позволяет в течение нескольких циклов сформировать адаптивный термобароцикл испытания любого материала с квазиизотермическими и квазиизобарическими участками в окрестностях особых точек его фазовых состояний (плавления, испарения и т.д.). Баро-электро-термо-акустический (БЭТА) анализатор -это разработка, поданная Донским государственным техническим университетом на конкурс 2012 года № 2012-220-03-247, в которой под руководством д.ф.-м.н. Заворотнева Ю.Д. из Донецкого физико-технического института НАН Украины, предлагалось создать баро-электро-термо-акустический (БЭТА) анализатор и лабораторию мирового уровня на базе ДГТУ.

Проведем испытание на коррозионную стойкость 6 одинаковых образцов железа площадью 1,25см² каждый. 3 образца будут погружены в 1 молярный раствор серной кислоты (плотность 1,06). Другие 3 образца будут погружены в раствор серной кислоты с добавлением ингибитора (0,01 молярный раствор органического вещества в растворе кислоты). Испытание проводится 24 часа при комнатной температуре. Образцы были взвешены до и после испытания. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1. Данные испытания

Состав раствора	№ образца	m1, г.	m2, г.
1М H2S04	1	0,0884	0,0710
	2	0,0835	0,0620
	3	0,0875	0,0680
0,01М р-р инг.	4	0,1024	0,0982
	5	0,0999	0,0936
	6	0,0785	0,0770

Далее данные вносим в среду для численных расчетов и визуализации результатов-MATLAB

Рис. 1 - Ввод данных и вывод результатов

Значения основных величин, определяющих коррозию автоматически посчитаны в программе. Скорость коррозии j = 0,3242; скорость коррозии в среде с ингибитором j_i= 0,0666; коэффициент торможения коррозии ингибитором К=4,8667; степень защиты Z = 79%.

Модель автоматизации оценки результатов построим с помощью графической среды имитационного моделирования Simulink. Интерактивная среда Simulink позволяет применять развитый модельно-ориентированный подход при разработке систем управления. Дополнительные пакеты расширения Simulink позволяют решать весь процесс от создания модели до тестирования, проверки и аппаратной реализации.

Рис. 2 - Модель автоматизации

Построенная модель автоматизации процесса обработки результатов повышает эффективность испытаний. Модель позволяет уменьшить расхождения результатов испытаний с результатами при реальных условиях эксплуатации, сокращает время проведения испытаний, повышает точность испытаний. Так же, модель позволяет работать с большим количеством испытуемых образцов. Перечисленные достоинства способствуют увеличению надежности будущих конструкций, построенных из испытуемых материалов.

Список литературы

Белозеров В.В. Синергетика безопасной жизнедеятельности/монография - Ростов н/Д: Изд. центр ЮФУ, 2015. -420с.

Белозеров В.В., Босый С.И. Диагностика прочности, долговечности и безопасности конструкционных материалов с помощью нового параметра – термобаростойкости //Современные наукоемкие технологии». -2008. -№2, с.116-118.

Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии/Под ред. И.В. Семеновой - М.: Физматлит,2002. -336 с.

Код для цитирования: Скопировать