1,2 - поворотні плити, 3, 4 - затискачі, 5 - експериментальний зразок, 6 - хлорсрібний електрод порівняння; 7 - знімна робоча камера, 8 - тяга, 9 - змінні вантажі

Рисунок 2 - Зразок для випробовувань на установці КН-1

В процесі статичного навантаження та повзучості безперервно реєструється параметр, за яким можна визначити стрілу прогину зразка . Параметри , довжина робочої частини та мінімальний радіус кривизни зразка пов'язані співвідношенням

.

Відносну деформацію крайнього волокна визначали за формулою

,

де - товщина зразка.

Для оцінки швидкості корозії використовували рекомендований для низьковуглецевих сталей ваговий метод [5].

Корозійні втрати маси зразка в г/м2 обчислювали за формулою

,

де: - початкова маса зразка; - кінцева маса зразка; - площа поверхні, яка піддавалася корозії.

Для зважування використовували демпферну аналітичну вагу з точністю вимірювання 0,00005 г.

Швидкість корозії розраховували за формулою

,

де - час.

Випробовування проводили на повітрі та в хлоридній кислоті з концентрацією 0,1... 0,001 M, що дало змогу прискорити дослідження кінетики корозійних процесів в кислому середовищі.

При вимірюванні потенціалів використовували хлорсрібний електрод порівняння.

Встановлено, що повзучість основного металу при різних рН середовища, як і на повітрі, носить стадійний характер (рис. 3). Вплив середовища відчутний як на стадії неусталеної, так і на стадії усталеної повзучості, що засвідчують спеціальні дослідження (рис.4). Щоб коректно виявити вплив середовища випробовування проводили в такій послідовності. Спочатку поміщали експериментальний зразок у знімну робочу камеру (рис.1) і після досягнення ступінчастим навантаженням напруження МПа реєстрували його повзучість на повітрі. Відтак, на стадії усталеної повзучості, не зупиняючи експеримент, в робочу камеру заливали 0,1М розчин хлоридної кислоти і продовжували випробовування. В такий спосіб було виявлено значний вплив корозійного середовища на усталену повзучість сталі газопроводу та вивчено кінетику процесу.

Тривалість першої стадії більше залежить від величини номінальних напружень і менше - від рН середовища (рис. 3). Із збільшенням рН при приріст повзучості за час зменшується і тим відчутніше, чим більший рівень напружень (рис. 5, а). Відзначимо, що незначний приріст повзучості спостерігався при , тобто на ділянці пружної деформації, що зумовлено виключно корозійним чинником. Зростання напружень при рН = const посилює повзучість, особливо при рН 1, на що вказують прирости (рис. 5, б). В пружній області статичного навантаження також спостерігається незначне зменшення при збільшенні рН.

Таким чином, нами вперше на сталі газопроводу при експлуатаційних температурах експериментально виявлено значне розширення області повзучості в кислих середовищах: показано, що під впливом середовища 0,1 М НСl повзучість при стає відчутною (рис. 6).

Залежність електродного потенціалу зразків від рН середовища при різних номінальних напруженнях наведена на рис. 7. При збільшенні рН від 1 до 2 кінетика потенціалу помітно змінюється, а саме: замість повільного зростання потенціалу на початковій стадії маємо його спадання (рис.7, криві 2 і 3). Це явище пов'язане, на нашу думку, із адсорбцією хлорид-іонів на поверхні зразка. Вони, як відомо [6, 7], здатні спричиняти деяку паcивацію поверхні, утруднюючи розрядку на ній йонів Н+.

Рисунок 3 - Криві повзучості основного металу при різних рН середовища та номінальних напруженнях

Рисунок 4 - Вплив корозійного середовища на стадії усталеної повзучості сталі газопроводу (0,1М НС1, 410 МПа)

При рН 1 їх кількість набагато більша, ніж при рН 2 та 3, крім того інтенсивна корозія в сильнокислому середовищі швидко призводить до пошкодження поверхні, що, в свою чергу, сприяє кращій адсорбції йонів СІ- на поверхні зразка і водночас ускладнює зворотний процес десорбції та подальшого переходу їх у дифузійний шар внаслідок дії стеричних факторів. В результаті спостерігаємо незначну пасивацію поверхні на початковій стадії (120 - 240 хв.), після якої наступає стабілізація потенціалу, яка відповідає встановленню термодинамічної рівноваги процесів адсорбції-десорбції на фоні сталої активності йонів Н+, зумовленої лише їх концентрацією (зміною йонної сили розчину та незначним зменшенням концентрації йонів Н+ внаслідок реакції можна знехтувати) [8].

Збільшення часу стабілізації з 120 до 240 хв при збільшенні номінальних напружень з 200 до 410 МПа (рис. 7) пов'язане з утворенням на поверхні металу субмікротріщин, які, будучи “свіжими поверхнями”, володіють нижчим потенціалом і тим самим знижують загальний потенціал зразка [9].

При переході до рН 2 та 3 корозійний чинник помітно нівелюється, ураження поверхні незначні, і адсобція йонів Сl- проходить гірше, а деcорбція, навпаки, краще. Водночас концентрація йонів H+ достатня для їх ефективної розрядки і, враховуючи значне зменшення адсорбції хлорид-іонів, спричиняє до спадання потенціалу на початковій стадії з подальшою стабілізацією. Як і при рН 1, час виходу на ділянку стабілізації зменшується зі зменшенням номінальних напружень, що зумовлено дією тих самих чинників. сталевий газопровід корозійний зварний

Спостерігається вплив напружень і на величину потенціалу стабілізації - зменшення його із збільшенням рівня напружень. Наявність зварного з'єднання істотно не впливає на кінетику електродного потенціалу.

Рисунок 6 - Розширення області повзучості в середовищі 0, 1М НСl при t = 600 хв (сталь 10)

Дослідження кінетики електродного потенціалу та впливу на неї зовнішніх чинників розкриває важливу інформацію і дає змогу глибше зрозуміти механізм корозійних процесів. Іншим важливим джерелом є вивчення характеру та швидкості корозії, їх зміни під дією різноманітних факторів. На рис. 8 наведено типові корозійні ураження основного металу труби при різних рН.

При рН 1 бачимо відносно рівномірну корозію, що пов'язано з великою концентрацією, а, отже, і активністю йонів Н+, які і зумовлюють агресивність середовища. Роль мікрогальванічних елементів невелика, місцева корозія проявляється слабо. При збільшенні рН ця активність падає, що сприяє збільшенню ролі мікрогальванічних елементів та прояву місцевої корозії (рис.8, б). Також починає візуально спостерігатися і вплив напружень: якщо у зоні стиску місцева корозія відносно рівномірно покриває поверхню зразка, то у зоні розтягу спостерігається чіткий поділ на анодну та катодну зони (рис. 9).

Інший прояв місцевої корозії - корозія на границі розділу фаз “занурений метал - незанурений метал”. Цей вид місцевої корозії, який проявляється і при низьких рН, за невеликий час спричиняє утворення глибоких (до 0.1 мм) виразок (рис. 10).

Оскільки при пошкодженні зовнішньої ізоляції підземного газопроводу одразу утворюється згадана вище границя розділення фаз, такий прояв корозії є надзвичайно небезпечним і, на нашу думку, найчастіше закінчується наскрізним ураженням та, відповідно, розгерметизацією трубопроводу.

Поява зварного з'єднання значно активізує процеси місцевої корозії, насамперед через виникнення гальванічної пари “основний метал - шов” та зміну структури, а отже і електрохімічної активності металу в близькошовній зоні.

Бачимо яскраво виражену інтенсифікацію корозії в області шва та близькошовній зоні, які виконують роль анода (рис. 11). Також спостерігається корозійна виразка вздовж границі розділу “метал - шов”, хоч, природно, не така глибока, як вздовж границі розділу “занурений метал - незанурений метал”. У зоні стиску корозійні ураження проявляються не так суттєво, оскільки стискаючі напруження ускладнюють процеси відриву йонів Fe2+ від поверхні та збільшують роботу виходу електрона.

Залежність загальної швидкості корозії від рН середовища та наведено на рис.12.

Встановлено, що роль напружень відчутно зростає зі зменшенням рН середовища, помітно впливаючи на швидкість корозії при низьких рН. Це пов'язано з утворенням субмікротріщин, первинних та вторинних мікрогальванічних елементів, які сприяють розчиненню металу газопроводу [9]. Зі збільшенням рН цей вплив зменшується, оскільки корозія з рівномірної стає місцевою, загальна швидкість якої істотно не змінюється в широкому діапазоні рН [10, 11], а зміна швидкості у місцях локальних уражень відчутно не позначається на загальній втраті маси. Водночас на швидкість локальної корозії напруження і далі чинять відчутний вплив, що проявляється в помітному її збільшенні та, відповідно, поглибленні утворених пітів і виразок, особливо у зоні розтягу.

Рисунок 7 - Криві “потенціал - час” при різних номінальних напруженнях та рН середовища

Збільшення рН, як і очікувалося, призводить до зменшення швидкості корозії спочатку логарифмічно, а потім - лінійно.

Наявність зварного з'єднання мало впливає на загальну швидкість корозії, однак суттєво прискорює локальні процеси, особливо в близькошовній зоні (рис. 11), що може за короткий час призвести до катастрофічних наслідків.