Влияние магнитного поля на скорость коррозии стали

 просмотров

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СКОРОСТЬ КОРРОЗИИ СТАЛИ

, , ,
г. Тюмень, Россия

Ферромагнитный металл намагничивается при остывании в окружающем магнитном поле, при изготовлении труб на заводах, проведении погрузочно-разгрузочных работ с использованием электромагнитных кранов, при диагностике трубопровода магнитными дефектоскопами. Намагничивание происходит при сварочных работах и др.

Изменению намагниченности способствуют деформации, которым подвергается материал в процессе строительства и эксплуатации металлоконструкций. По этой причине в условиях земного поля происходит увеличение сонаправленной намагниченности и уменьшение намагниченности участков с вектором, ориентированным против поля (эффект магнитоупругого намагничивания-размагничивания [1,2]).

В результате величина остаточного магнитного поля на стыках труб может достигать 0,25¸0,3 Тл. Это означает, что вдали от разреза (конца) трубы намагниченность металла может быть заметно больше. Магнитное поле мешает дуговой резке металла и негативно сказывается на качестве проводимых сварочных работ вследствие электромагнитного выдувания дуги из зоны сварки [2].

Необходимо отметить, что уже сам вышеупомянутый характер и способ намагничивания элементов стальных конструкций предполагает большую неоднородность намагниченности и, как следствие, существование значительных неоднородных магнитных полей рассеяния.

Влияние же магнитных полей на коррозию металла исследовано недостаточно, и данные различных источников противоречивы. В частности, в работе [3] описано исследование коррозионной стойкости образцов, изготовленных из стали 17Г1С в различном состоянии в растворе H2SO4. Некоторые образцы устанавливались между одноименными полюсами магнитов, создающими неоднородное магнитное поле. Результаты испытаний показали, что воздействие внешнего магнитного поля повысило коррозионную стойкость в 2,12 раза, по сравнению с коррозионной стойкостью образцов, находящихся в коррозионной среде в условиях только земного магнитного поля. Однако неясны причины помещения образцов между одноименными полюсами магнитов, также в работе не указана величина поля и распределение его градиента.

В работе [4] показано, что магнитное поле, наведенное даже небольшим постоянным магнитом, может, напротив, существенно увеличить скорость коррозии металлов.

Целью работы явилось определение величины магнитных полей, сопровождающих металлоконструкцию, в частности трубопровод, изучение влияния неоднородного магнитного поля на скорость коррозии стали и коррозионную стойкость стали в остаточно намагниченном состоянии.

Для этого на выбранном участке заглубленного в грунт магистрального газопровода (Уренгой-Челябинск) диаметром 1420 мм, ориентированного по ходу газа на юго-запад, как правило, через 10 м на верхней образующей трубы через слой изоляции проводились измерения магнитного поля трёхкомпонентным магнитометром МЦ-3.003, снабженным разработанным датчиком-щупом. Результаты измерений поля весной, летом, осенью представлены на рисунке 1 в виде распределения напряженности вертикальной составляющей поля Hz по длине трубопровода.

Рисунок 1. Распределение вертикальной составляющей напряженности магнитного Hz поля вдоль оси магистрального газопровода диаметром 1420 мм по его длине по результатам измерений: ♦ - 16.03, ■- 24.07, ▲- 15.09. Участок трубы ориентирован по ходу газа на юго-запад.

Из рисунка 1 видно, что нормальная (вертикальная) составляющая к трубе Hz изменяется в диапазоне ±(200¸250) А/м с локальными выбросами до 400-580 А/м. Измерения проводились через слой изоляции (3-6 мм), следовательно, поле на самой поверхности металла трубы заметно больше (порядка нескольких кА/м).

Наблюдаемые поля вызваны неоднородностью намагничивания материала, обусловленной отличающимися магнитными свойствами металла труб, механическими напряжениями, изгибом трубопровода и др. На границах неоднородностей силовые линии магнитного поля выходят из металла (входят в металл), то есть, создают на поверхности металла неоднородные магнитные поля. Это означает, что сам металл трубопровода и окружающий его электролит находятся в значительных магнитных полях.

Для детального изучения влияния магнитного поля на скорость коррозии в лабораторных условиях были проведены три эксперимента.

Оценка влияния внешнего магнитного поля на скорость коррозии.

С целью ускорения эксперимента по изучению влияния магнитного поля на скорость коррозии была использована тонкая (50 мкм) низкоуглеродистая стальная лента (0,05´5´1000) мм. На две специально изготовленные неметаллические катушки были намотаны ленты в виде меандра, чтобы они имели достаточную длину, занимали малый объем, а участки ленты не контактировали. Катушки с лентами поместили в отдельные неметаллические емкости с агрессивной средой (4% водный раствор морской соли). Одна из лент помещалась в неоднородное магнитное поле двух постоянных магнитов, расположенных сверху и снизу емкости. Величину магнитного поля определяли миллитесламетром ТП2-2У. На рисунке 2 графически представлено распределение магнитного поля в различных участках катушки с лентой.

Получить полный текст

Рисунок 2. Угловое распределение магнитного поля вверху, в середине и внизу катушки с лентой.

Из графика видно, что максимальная величина поля не превышала 25 мТл, а минимальная была не меньше 2 мТл. Градиент поля изменялся в диапазоне 0,16-0,46 Тл/м.

Коррозионную убыль толщины ленты определяли по изменению ее электросопротивления с помощью прецизионного омметра Щ306-1. Влияние температуры на электросопротивление ленты устранялось расчетным путем [5]. В данном источнике предполагается равномерный уход металла с поверхности ленты и для этой модели коррозии предложено уравнение:

(1),

где d – уменьшение толщины ленты; d – ее начальная толщина; =Rn-R1 (изменение электросопротивления); a – температурный коэффициент электросопротивления (для выбранной стали a=1×10-3); t1 – начальная температура; tn – температура в момент измерения.

При осмотре лент после испытаний на них не было обнаружено язв, что соответствует расчетной модели и подтверждает достоверность измерения коррозионной убыли металла по измерению электросопротивления.

На рисунке 3 представлен график изменения толщины лент, с поправкой на температуру.

Рисунок 3. Изменение толщины лент при коррозии при комнатной температуре с течением времени. Ромбом обозначены значения убыли толщины для ленты, находящейся в магнитном поле лаборатории, квадратом – для ленты, находящейся в неоднородном магнитном поле, созданном постоянными магнитами.

Как следует из графика, лента, находящаяся в неоднородном магнитном поле, корродирует с большей скоростью, ее толщина уменьшается быстрее: за 75 дней толщина ленты в магнитном поле стала меньше на 8 мкм, тогда как лента без дополнительного магнитного поля стала тоньше на 5 мкм.

Оценка влияния остаточно намагниченного состояния на скорость коррозии

Для оценки влияния коррозионной стойкости стали в остаточно намагниченном состоянии взяты 4 контрольных образца (2 образца 75´8´1 мм и 2 образца 50´8´1 мм), изготовленные из одной пластины закаленной высокоуглеродистой стали У10 (ножовочное полотно). Выбор стали У10 обусловлен ее сравнительно большой коэрцитивной силой (»30 А/cм) что предполагает значительную величину остаточной намагниченности (550 кА/м). В отличие от предыдущего эксперимента, где исследовалось влияние магнитного поля постоянных магнитов, образцы стали У10 вначале размагничивались, затем два из них намагничивались. То есть они находились в остаточно намагниченном состоянии. График распределения тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния Hτ по длине образца имеет классический вид с величиной поля в максимуме ±4×103 А/м у большого образца и ±7×103 А/м у малого образца. Далее, все 4 образца поместили в 50% водный раствор соляной кислоты, так чтобы их поля не влияли друг на друга, и определяли уход массы с единицы площади поверхности пластин (Dm/Sпов). Полученные результаты представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Изменение потери массы на единицу площади поверхности образцов, находящихся в различном состоянии, при коррозии в растворе кислоты с течением времени.

На графике видно, что образцы теряют массу с различной скоростью, причем, скорость коррозии намагниченных образцов выше, чем размагниченных: на 17% у коротких образцов и на 4% у длинных.

Также проводилась оценка коррозионного разрушения образца по его длине. Предполагалось, что величина коррозии будет больше на концах образца, где больше нормальная составляющая напряженности поля. Оказалось что убыль толщины практически одинакова по всей длине. Причина, по-видимому, в том, что у образца в форме параллелепипеда тангенциальная (касательная) составляющая поля меньше у концов, и больше в середине, а нормальная составляющая равна нулю в середине образца и больше всего у концов образца. Таким образом, поле присутствует во всех точках образца и вокруг него. Однако все же было замечено, что намагниченный образец истончается до сквозных отверстий у концов образца больше. Проведенные эксперименты позволяют сказать, что намагниченный стальной образец средней магнитной жесткости, сам являющийся источником поля, влияет на скорость коррозии – намагниченный металл корродирует с большей скоростью, чем металл, находящийся в размагниченном состоянии.

Оценка влияния непосредственной близости к металлу постоянного магнита на коррозионный процесс металла.

Для чего к металлической пластине с одной стороны был присоединен ферритовый постоянный магнит, являющийся диэлектриком. Для сравнения с другой стороны пластины был присоединен пластмассовый брусок, по форме и размерам схожий с магнитом.

В таком виде исследуемый образец поместили в 10% водный раствор соляной кислоты на несколько дней. На рисунке 5 представлены поверхности исследуемого образца после нахождения в растворе кислоты.

Рисунок 5. Характер повреждения поверхности стального образца:
сверху – со стороны магнита; снизу – со стороны пластмассового бруска

Поверхность стальной пластины со стороны магнита, подверглась сильному коррозионному разрушению, локализованному по периметру вокруг магнита. Глубина разрушения оказалась более 1 мм. На другой стороне образца наблюдался равномерный уход металла по всей незащищенной пластмассой поверхности.

Получить полный текст

Анализ результатов.

При строительстве трубопроводов не учитывают исходную намагниченность труб и не предпринимают (если это не мешает сварке) никаких действий. В то же время возможно небольшими усилиями уменьшать величину магнитного поля и его вредное влияние на скорость коррозии. Для этого достаточно определять магнитную полярность соединяемых труб, т. е. находить, где северный, а где южный полюса и соединять трубы одинаковыми полюсами. В этом случае магнитные поля соединяемых труб будут направлены навстречу друг другу, и результирующее поле будет значительно меньше первоначального. Ослабление результирующего поля будет тем более полным, чем ближе по величине намагниченности будут соединяемые трубы.

Чтобы полнее учитывать влияние изучаемого фактора, необходимо знать его природу. Однако механизмы влияния магнитного поля на скорость коррозии остаются до конца невыясненными. Коррозионная неустойчивость металлов определяется тем, что в жидкой или газообразной внешней среде металлическое состояние термодинамически неустойчиво, поэтому большинство металлов стремится перейти из металлического состояния в ионное. Можно выделить основные факторы, влияющие на этот переход.

На атомы и частички металла действует пондеромоторная сила F=pm×(dB/dZ), где pm – магнитный момент иона (частички), (dB/dZ) – градиент напряженности магнитного поля.

Изменяются свойства электролита. Необходимо отметить, что вода с растворенными в ней элементами является жидкостью, структурируемой различными воздействиями, в частности, магнитным полем. В результате электролит в присутствии магнитного поля меняет свои свойства. Коль скоро ферромагнитные конструкции усиливают магнитное поле Земли, то на них в большей степени будет действовать этот эффект. установила [6], что коррозионное действие концентрированных растворов (до 700 г-экв/л) различных кислот на металлы можно регулировать предварительной магнитной обработкой этих растворов. Причем, величина эффекта зависит от концентрации кислоты и природы металла.

В работе показано [7], что магнитная обработка вызывает временное увеличение концентрации в воде кислорода и более активное его взаимодействие с поверхностью сульфидных материалов.

Результат третьего эксперимента можно объяснить следующим механизмом. Магнитное поле на границе контакта магнита и образца имеет значительную по сравнению с остальными незакрытыми участками величину индукции, а также ее градиента. Металл в этой области обладает значительной магнитной энергией по сравнению с другими участками. В результате металл по периметру контакта в агрессивной среде термодинамически менее устойчив. Кроме того, возникает гальваническая пара между ним и соседними областями, и процесс разрушения становится более интенсивным.

Можно также отметить следующий механизм, приводящий к уменьшению скорости коррозии. Коррозионный процесс металлов в электролитах, как правило, является электрохимическим вследствие того, что поверхность металла состоит из множества микропар (микрокатодов и микроанодов) и представляет собой многоэлектродный гальванический элемент, [8] и неизбежно сопровождается гальваническими токами между участками (как на макро, так и на микроуровне) с различными электрохимическими потенциалами. На ионы электролита в магнитном поле действует сила Лоренца, «закручивая» их траекторию, и в итоге возрастает некоторое эффективное электросопротивление самого электролита. В этом свете магнитное поле может ослаблять процесс коррозии. Однако в нашей работе, по-видимому, указанный механизм проигрывал другим вышеперечисленным, а в работе [3], возможно, было удачное сочетание условий для превалирования именно этого механизма.

Выводы: скорость коррозии стали, находящейся в неоднородном магнитном поле, увеличивается; коррозионная стойкость стали в остаточно намагниченном состоянии снижается.

Однако приведенный вывод можно считать справедливым в условиях проведенных нами опытов и для однозначного ответа на вопрос об причинах отрицательного или положительного действия магнитного поля необходимо проведение системного исследования.

Список использованной литературы.

1.  , Шур -М.: ГИТТЛ, 1948г. с. 816.

2.  РД 153-39.. Регламент по вырезке и врезке "катушек" соединительных деталей, заглушек, запорной и регулирующей арматуры и подключению участков магистральных нефтепроводов.

3.  , Алтынова постоянного магнитного поля на циклическую трещиностойкость и коррозионную стойкость стали 17Г1С. Нефтегазовое дело, 2006 том 4 №1.

4.  Зимина Т. Наука и жизнь. Новости науки и техники. http://www. *****/news/5875/

5.  , , Муратов определение величины скорости коррозии. Актуальные проблемы строительства и эксплуатации газовых скважин, промыслового обустройства месторождений и транспорта газа: Сборник научных трудов , Изд-во Недра. -2002. С. 120-123.

6.  Классен и магнит. Из-во «Наука», М.: 1973г с.111.

7.  Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем. Сб. статей под ред. В. И Классена ЦИТИЭИ Министерство цветной металлургии СССР. М. 1971г. с.

8.  Акимов и методы исследования коррозии металлов. Изд-во академии наук СССР. Москва, 1945г. Ленинград



Подпишитесь на рассылку:


Небесные светила
то, что мы видим каждый день

Коррозия

Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства