Атмосферная коррозия углеродистой стали и чугуна в южном Мосуле в Ираке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Атмосферная коррозия углеродистой стали и чугуна

в южном Мосуле в Ираке

Базияни Гашин Ибрахим Таеб

Аннотация

Использованы данные, представленные в отделе геологоразведки и на специальной выставке оборудования Министерства промышленности и минеральных ресурсов Ирака, полученные в районе Мосула. Образцы углеродистой стали и чугуна располагали в шести участках южного региона г. Мосул в Ираке, где зафиксировано наиболее высокое содержание естественных серосодержащих выбросов и хлоридов. Экспериментальные гравитационные испытания проводили в течение года в соответствии со стандартом КО 9223: 1992.

Ключевые слова: углеродистая сталь; чугун; атмосферная коррозия; гравитационные испытания; сульфаты

Abstract

ATMOSPHERIC CORROSION OF THE СARBONACEOUS STEEL AND CAST IRON IN SOUTHERN MOSUL IN IRAQ

Bazeany Gasheen Ibrahim Taeb, Master's Degree Student in “Chemistry” Programme. Derzhavin Tambov State University, Tambov, Russian Federation.

The data, presented in the Geological Exploration Department and at a special exhibition of equipment of the Ministry of Industry and Mineral Resources of Iraq, obtained in the Mosul region, are used in this work. Samples of carbonaceous steel and cast iron were placed in six locations in the southern region of Mosul, Iraq, which recorded the highest natural sulfur compounds and chlorides emissions. Experimental gravity tests were carried out over a year in accordance with ISO 9223: 1992.

Keywords: carbonaceous steel; cast iron; atmospheric corrosion; gravity tests; sulfates

Существуют три причины для изучения коррозии: обеспечение безопасности, снижение потерь и защита оборудования от коррозионных повреждений. Например, коррозия стоит Соединенным Штатам Америки ежегодно 9-99 млрд долл. США, а затраты, связанные с атмосферной коррозией, составляют 50 % от общих потерь из-за коррозии.

Атмосферная коррозия - сложный электрохимический процесс, приводящий к образованию коррозионных ячеек, которые вызывают растворение металла [1]. Коррозия тесно связана с качеством материала и природой коррозионной среды (атмосфера, вода, состав почвы).

Атмосфера является самой быстрой способствующей коррозии средой, которая широко распространена. Ее влияние на процесс коррозии невозможно устранить, как это может быть в других средах. Коррозия в океане сильно варьируется. Различное географическое местоположение по-разному влияет на ход коррозии и ее скорость вдобавок к воздействию воздушной среды, например, среди сельских, прибрежных районов и городов.

В атмосфере присутствуют азот, кислород, водяной пар и пр., присутствие и пропорции которых зависят от географических различий регионов. Кислород является окислителем. Соответствующие реакции представлены ниже [2], в кислых растворах:

В щелочных средах:

В представленной электрохимической реакции принимает участие водяной пар. Его содержание в атмосфере составляет ~50 мг/см3. Электрохимическая коррозия не возникает в сухом воздухе. Процесс начинается при 60-70 мг/см3 (критической относительной влажности). Причем для возникновения коррозии не обязательно требуется именно водный раствор, достаточно капель жидкости.

В процессе коррозии железо превращается в оксид железа или смесь различных оксидов в зависимости от внешних условий [3].

Южный Мосул - это регион добычи серных руд. Для него характерны значительные естественные серосодержащие выбросы. Из-за особенностей рельефа местности концентрация полютантов заметно увеличивается в низменностях. Климат в Ираке характеризуется двумя сезонами: сухой (май - сентябрь) и дождливый периоды (октябрь - апрель).

Воздействие воздуха на металлическую поверхность различно, поскольку влажная атмосфера более коррозионно опасна, чем сухая, особенно при высоких температурах. Загрязняющие воздух газы SO2, Н^, N0^ NH3 и другие только усугубляют ситуацию Metals Corrosion // Al-Andalus University for Medical Sciences. URL: http://au.edu.sy/images/courses/biomedical/l-l/129_chemistry.pdf (accessed: 08.04.2020)..

В исследованиях Юн Чой Сок (2011) изучено влияние сероводорода и углекислого газа на коррозию углеродистой стали в кислых растворах. Показано, что присутствие сероводорода снижает негативное влияние углекислого газа из-за тонкого слоя буфера, а FeS предотвращает реакцию железа с углекислым газом [4].

В [5] изучена скорость коррозии углеродистой стали разных марок в наиболее распространенных водных коррозионных средах и установлено, что содержание углерода влияет на коррозионную стойкость металла.

Исследователи М^. Laamari et а1. (2011) изучали действие ингибиторов тетра-гексаметилендиамина. Обнаружено, что в его присутствии значительно снижается скорость коррозии углеродистой стали в кислой среде из-за образования тонкого слоя на поверхности углеродистой стали, что предотвращает непрерывную коррозию [6].

J.A. Jaen et а1. (1997) изучали атмосферную коррозию углеродистой стали в панамской атмосфере и наблюдали влияние относительной влажности на рост скорости коррозии вдобавок к увеличению концентрации диоксида серы и хлорид-ионов [7].

Содержание углерода влияет на скорость коррозии и является мерой коррозионной стойкости углеродистой стали. В данном случае (содержание углерода 0,23) это сталь с высоким содержанием железа. Она представляет собой сплав, где имеется особая микроструктура (высокое содержание перлита + фритта). атмосферная коррозия сталь чугун

Причиной коррозии высоколегированной стали является образование цементитной фазы, которая представляет собой катодный электрод, и ферритовой фазы, которая представляет собой анод. На рис. 1 показан процесс атмосферной коррозии углеродистой стали.

Рис. 1. Атмосферная коррозия углеродистой стали

Для серого чугуна с содержанием углерода 3,53 % причиной коррозии также является образование гальванических пар. Графитовые ламели перемежаются серым чугуном, образуется непрерывная сеть графитовых щелей. Они обеспечивают проникновение коррозионной среды, а чугун удерживает больше воды, чем углеродистая сталь [8].

В соответствии с положением железа в ряду напряжений [9] его стационарный окислительно-восстановительный потенциал - 0,44 В. Коррозия железа усиливается при повышении кислотности раствора. Продукт коррозии железа - ржавчина - темно-коричневый пористый слой состоит из смеси трех оксидов железа Fe3O4, Fe2O3, FeО. В концентрированных кислородсодержащих кислотах железо может переходить в пассивное состояние (рис. 2) [10].

Рис. 2. Атмосферная коррозия серого чугуна

Коррозия железа усиливается в атмосфере, содержащей диоксид серы, в соответствии с реакцией [11]:

Fe + SO2 + O2 = FeSO4 (5)

4FeSO4 + O2 + 6H2O = 2Fe2O3 + H2O + 4H2SO4 (б)

2Fe +2H2SO4 + O2 = 2FeSO4 + 2H2O (7)

Согласно реакции (7), серная кислота в сочетании с кислородом будет воздействовать на железо, образуя сульфат железа. Затем реакция (6) возобновляется, и цикл реакций (6) и (7) продолжается до тех пор, пока серная кислота по какой-либо причине станет неэффективной. Этот механизм реакции показывает, что диоксид серы эффективен в процессе коррозии железа только с участием кислорода. Что касается серого чугуна с содержанием углерода меньше 4 %, то он страдает от особого типа губчатой коррозии (spongiest) или Kraft (Graphitization). Опасность этого типа коррозии в том, что ее трудно обнаружить. Однако при внимательном рассмотрении серого чугуна можно выделить в нем специфические мягкие участки [12], что приводит к негативным изменениям химического состава и механических свойств чугуна. При этом растворяется чистое железо с образованием оксида железа (FeO), в то время как углерод остается в форме мягкого графита.

В данной работе были измерены выбросы серосодержащих веществ и содержание хлоридов в водах нескольких районов южного Мосула (табл. 1).

Таблица 1

Содержание коррозионно-агрессивных веществ (мг/л), предоставленных Департаментом геологических исследований в северном регионе, филиал Хаммам Аль-Алил [13]

Известно, что скорость коррозии металла часто нелинейно зависит от времени. Она уменьшается со временем благодаря препятствию, создаваемому пленкой, для контакта металла с внешней средой ISO 8407: 1991. Corrosion of metals and alloys - removal of corrosion Prod-ucts from corrosion test specimens. M., 1991. P. 7..

Для иллюстрации результирующего повреждения как функции времени при определении коррозии, которая происходит с металлами и сплавами (углеродистая сталь, серый чугун, цинк, медь и алюминий) в течение 20-30 лет в различных типах атмосферы (сельская, промышленная, морская), используется формула [14]:

где M - скорость коррозии на единицу площади, мкм/год; T - время (дни); a - потери в течение первого года мг/год; b - коэффициент регрессии (процент уменьшения скорости коррозии) мкмм/г. При логарифмировании обеих частей уравнение принимает вид:

Это уравнение используется для определения скорости коррозии за один год.

Цель данной работы - оценка влияния естественных выбросов в атмосферу южного района Мосула на скорость коррозии серого чугуна и углеродистой стали.

Образцы размером 10*15*3 мм были подготовлены в соответствии со стандартом ISO 8407:1991 ISO 8407: 1991. Corrosion of metals and alloys - removal of corrosion Prod-ucts from corrosion test specimens. M., 1991. P. 7.. Перед взвешиванием образец очищали и высушивали, затем измеряли с помощью шкалы (Micro-Balance). После взвешивания образцы подвергались атмосферной коррозии. Для этого образцы из углеродистой стали или чугуна (табл. 2) помещались в исследуемую зону и после завершения первого месяца испытаний очищались от коррозионного слоя с использованием мягкой щетки и воды.

Таблица 2

Анализ химического состава образцов углеродистой стали и серого чугуна, проведенный посредством прибора (X-RAY) тип SPECTRO Xsort в специализированном институте машиностроительной промышленности Министерства промышленности и минералов Состав (масс.%) образцов углеродистой стали и серого чугуна

Специальный кислотный раствор для удаления коррозионного слоя без ущерба для металла состоит из 500 мл HCl + 3,5 г гексаметилентетрамин + вода до метки 1000 мл. Он был выбран в соответствии со стандартными методами испытаний [15].

После исследований образцы промывали водой, сушили при 80 °С для полного высыхания и последующего взвешивания [12]. Экспериментальные образцы отбирают каждые два месяца для повторных взвешиваний и фиксирования потерянного веса по мере роста продолжительности проводимых исследований.

В табл. 3 и рис. 3 представлены потери массы образцов после испытаний в районах южного Мосула, а в табл. 4 - классификация степеней износа (corrosivity categories) (CC) для углеродистой стали и серого чугуна в зависимости от скорости коррозии за первый год испытаний (мкм/год), согласно ISO 9223 ISO 9223: 1992 Corrosion of metals and alloys; corrosivity of atmospheres; classification. First Edition. М., 1992. P. 13.. Показано, что имеет место проникающая коррозия. Ее скорость уменьшается с течением времени из-за роста слоя продуктов коррозии, которые предотвращают контакт металла с внешней средой. Это наблюдалось во всех шести регионах, где проводились исследования.

Таблица 3

Потери металла (мкм) экспериментальных образцов
по анализируемым областям

Хлорид-ионы и сульфат-ионы способствовали увеличению скорости коррозии в областях с большим содержанием этих ионов, а именно Аль-Мишрак (1) > Аль-Мишрак (2) > Тель Аль-Хашим > Альму стантак > Айн аль-Байда > Хаммам Аль-Алил.

Серый чугун был более восприимчив к погодным факторам с точки зрения коррозии, поскольку представляет собой пористый материал, удерживающий влагу в большей степени, чем углеродистая сталь. В дополнение к этому в чугуне имеется непрерывная сеть графитовых трещин, позволяющих проникать коррозионной среде.

Рис. 3. Скорость протекания коррозии в исследуемых районах южного Мосула, мкм/год

Таблица 4

Классификация степеней коррозии

ВЫВОДЫ

1. В районе Аль-Мишрак (1) зафиксированы самые высокие показатели электрохимической коррозии металла из-за того, что в регионе максимальные в изученном ряду выбросы в атмосферу, где влияние SO2 дополнялось воздействием хлорид-ионов и сульфат-ионов.

2. В районе Хаммам Аль-Алил зафиксирована самая малая скорость коррозии из-за самых низких выбросов в атмосферу SO2 вдобавок к хлорид-ионам и сульфат-ионам.

3. Скорость коррозии серого чугуна выше, чем таковая углеродистой стали во всех регионах, где проводились исследования.

Список литературы

1. Schweitzer Philip A. Fundamentals of corrosion: mechanisms, causes and preventative methods. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009. 416 p.

2. Revie R. W. Uhlig's Corrosion Handbook. 3rd Edition. Hoboken, 2011. 1296 p.

3. Brimblecombe P., Hara H., Houle D., Novak M. (eds.). Acid Rain-Deposition to Recovery. N. Y., 2007. 419 p.

4. Choi Y.S., Nesic S., Ling S. Effect of H2S on the CO2 corrosion of carbon steel in acidic solutions // Electrochemical Acta. 2011. Vol. 56. P. 1752-1760.

5. Ibrahim I., Abdullah A. The influence of carbon contents on the corrosion resistance of plain-carbon steels in the water environments // Al-Rafidain Engineering Journal (AREJ). 2010. Vol. 18. P. 25-39.

6. Laamari M.R., Benzakour J., Berrekhis F., Derja A., Villemin D. Adsorption and corrosion inhibition of carbon steel in hydrochloric acid medium by hexamethy- lenediamine tetra (methylene phosphonic acid) // Arabian Journal of Chemistry. 2011. Vol. 52. P. 1-7.

7. Jaen J.A., de Villalaz M.S., de Araque L., de Bosquez A. Kinetics and structural studies of the atmospheric corrosion of carbon steels in Panama // Hyperfine Interactions. 1997. Vol. 110. P. 93-99.

8. Schweitzer P.A. Encyclopedia of Corrosion Technology. Second Edition. N. Y., 2004. 624 p.

9. Schweitzer P.A. Corrosion Engineering Handbook. Second Edition. N. Y., 2006. 1400 p.

10. Dean S.W., Reiser D.B. Analysis of long-term atmospheric corrosion results from ISO CORRAG program // Outdoor atmospheric corrosion. Pennsylvania: ASTM International, 2002. P. 3-18.

11. Townsend H.E. Estimating the atmospheric corrosion resistance of weathering steels // Outdoor Atmospheric Corrosion. Pennsylvania: ASTM International, 2002. P. 292-300.

12. Cao X., Xu C.C. Effect of Chloride on The Atmospheric Corrosion of Simulated Artifact Iron in NO3. Bearing Pollutant Environment // Acta Metallurgic Sonica (English letters). 2006. Vol. 19. P. 34-42.

13. Al-Sawaf F.D.S. Sulfate reduction and sulfur deposition in the Lower Fars Formation, Northern Iraq // Economic Geology. 1977. P. 608-618.

14. Radzikowska J.M. Effect of Specimen Preparation on Evaluation of Cast Iron Microstructures // Materials Characterization. 2005. Vol. 54. P. 287-304.

15. Shopov A., Bonev B. Experimental study of the change of the strengthening zone on corroded steel specimens // International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET). 2019. Vol. 10. P. 2285-2293.

Размещено на Allbest.ru