Исследование влияния коррозионно-активных неметаллических включений (КАНВ) на процессы коррозии в стали

Д.В. Журавский, А.А. Ачимов
Тюменский государственный университет,
г. Тюмень

Областью данного исследования являются коррозионные процессы в стали, вызванные присутствием коррозионно-активных неметаллических включений (КАНВ) на и вблизи поверхности образца. Изучение структуры КАНВ и их влияния на коррозионную стойкость, качество поверхности, усталостные и другие характеристики металла ведутся сравнительно недавно [1,2] и истинные механизмы, приводящие к ускорению коррозионных процессов в присутствии КАНВ выяснены не до конца.

Целью данного исследования было установление особенностей топографии поверхности частично прокорродировавшей поверхности металла вблизи КАНВ, выявить наличие определённой структуры – описанных в работах [3] ядра и ореола КАНВ 2го типа, а так же уточнение механизма коррозии.

Исследования проводились на серии из 6 образцов стали, подготовленных согласно ГОСТ Р 9.905 – 2007. Места предположительного местонахождения КАНВ определялись визуально после предварительного протравливания поверхности. Экспериментальная методика состояла из следующих этапов:

- исследование топографии и фазового контраста поверхности образцов в области предполагаемых КАНВ с помощью Атомно-силового сканирующего микроскопа (АСМ) NTegra Aura – полуконтактная методика, зонды NSG-01, разрешение до 5,0 нм, резонансная частота 145±5 кГц.

- исследование поверхности на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6510 – разрешение в режиме высокого вакуума - 3.0 нм (30кВ) с применением энергодисперсионного анализа.

- окисление образцов в коррозионоо-активной среде согласно ГОСТ Р 9.905 – 2007 в течении 70 часов. Состав среды: Cl^- = 14000 мг/л, HCO₃ = 1490 мг/л, SO^4- = 16 мг/л, Ca ²⁺ = 460 мг/л, Mg²⁺ = 175 мг/л, Na⁺ + K⁺ 8680 мг/л, суммарная минерализация 24821 мг/л, pH = 6.65. С предварительным и контрольным ввешиванием на аналитических весах.

- Повторнае исследование на АСМ.

Результаты исследования.

На топоргафи поверхности образца в области предполагаемого КАНВ выделяются области ядра (удалено с поверхности в процессе обработки) и ореола (Рис.1 а), имеющие высокую контрастоность по отношению к металлической матрице на изображениях фазового контраста (Рис 1.б). Исследование На РЭМ элементного состава поверхности в различных точках – в близи ядра, в области ореола и на удалении от него (Рис. 2) подтверждает гипотезу о присутствии в образцах КАНВ 2го типа по присутствию атомов натрия, хлора, аллюминия и кремния (таблица 1).

а) б)

Рис. 1. Ореол КАНВ а) топография поверхности, б) фазовый контраст

Рис. 2. Ореол КАНВ изображение РЭМ

Состав образца

Скорость коррозии в активной среде в среднем составила 0,074 г/(м²×ч), средняя толщина прокорродировавшего слоя 0,66 мкм.

При анализе топографии поверхности образцов после окисления видно насколько сильно изменилась поверхность вследствии воздействия коррозионно-агресивной среды. Так же можно проследить как именно проходит процесс коррозии в присутствии КАНВ. Само неметаллическое включение не подвеглось коррозии, в то время как окружающая его облась практически вся обрасла питтингами. Можно отметить характерную локальность и сильную неоднородность коррозионных процессов. В процессе окисления унос вещества преимущественно осуществлялся с зерен металла, в то время, как неметаллический каркас ореола КАНВ, остается почти не тронутым (см. рис. 3 а, б).

а) б)

Рис. 3 Топография поверхности. а) общий вид КАНВ, б) граница ядра и ореола

По результатам обработки сканов была вычислена средняя глубина коррозии питтинга: h_p = 1,6 мкм. Для участка ореола площадью 3370 мкм² с учётом глубины и формы питтингов был установлен объем унесённого с поверхности металла: V = 1123,33 мкм³, а так же потеря массы: Δm = 8,84*10^{-8 г. Таким образом скорость коррозии в области ореола КАНВ составила V}_к = 0,179 ± 0,05г/(м²?ч), что практически 2 раза больше средней скорости коррозии по образцу. При изучении картины распределения поверхностного потенциала видна характерная зеренная структура металла в неметаллической матрице (рис. 4 а). Кроме того сохраняются участки большего отрицательного потенциала (темные пятна), которые служат очагами дальнейшей питтинговой коррозии. На Рис. 4 б. а показано распределение поверхностного потенциала в сечении, проходящем через ядро КАНВ. Видно, что существует существенный перепад потенциала при переходе от ядра к ореолу, который составляет 0,7 В на 40 мкм. Процесс коррозии, по видимому, протекает, по следующему принципу: КАНВ в водной хлор-содержащей среде является катодом, вокруг которого происходит анодное растворение металла. Интенсивность растворения, как правило, определяется скоростью катодной реакции, зависящей от поступления кислорода, являющегося окислителем.

а) б)

Рис.4. а) Распределение поверхностного потенциала, б) РПП в сечении

Выводы:

1. показана роль КАНВ в коррозионных процессах на поверхности стали, а именно установлена существенная неоднородность в распределении глубины коррозионных процессов в ореоле КАНВ, вблизи и на большом удалении от них.

2. Так же установлено, что значительная доля потери массы приходится на ореол вокруг КАНВ в результате образования питтингов.

3. По результатам исследований поверхностного потенциала подтверждена гипотеза анодно-катодного механизма коррозии в присутствии КАНВ.

Список литературы

1. Роль неметаллических включений при коррозии трубных сталей в нефтепромысловых средах / И.Реформатская, Ю.Бейлин, Л.Нисельсон, И. Родионова. - Научно технический вестник ЮКОС, 2003. - №8. - С. 3 – 6.

2. Роль неметаллических включений и микроструктуры в процессе локальной коррозии углеродистых и низколегированных сталей / Реформатская И.И., Родионова И.Г., Бейлин Ю.А. и др. Защита металлов, 2004. - Т. 40. - №5. С. 498 – 504.

3. О роли неметаллических включений в ускорении процессов локальной коррозии нефтепромысловых трубопроводов из углеродистых и низколегированных сталей / Родионова И.Г., Бакланова О.Н., Зайцева А.И. Металлы. - 2004. - №5. - С. 414-418. 

Назад к списку