CC BY
32
УДК 620.193
А. Н. Ахметова, Е. В. Плешкова, С. С. Виноградова, Р. А. Кайдриков
ОПЕРЕЖАЮЩИЙ МОНИТОРИНГ ПИТТИНГОВОЙ КОРРОЗИИ СТАЛИ 12Х18Н10Т В МОДЕЛЬНОМ РАСТВОРЕ ТОМАТНОЙ ПАСТЫ
Ключевые слова: питтинговая коррозия, пищевая среда, мониторинг, хромоникелевые сплавы.
Приведен обзор коррозионной агрессивности пищевых сред. Установлены параметры периодического потенциостатического режима мониторинга пассивного состояния поверхности хромоникелевой стали марки 12Х18Н10Т в модельном растворе томатной пасты методом ансамбля случайных процессов. Показан быстрый отклик системы при переходе в локально-активное состояние в процессе мониторинга питтинговой коррозии в изменяющихся условиях эксплуатации, что подтверждено методом спектрального анализа.
Key-words: pitting corrosion, food environment, monitoring, nickel-chromium alloys.
A review of the corrosiveness of food environments. The parameters of the periodic monitoring regime potentiometric surface of the passive state of chromium-nickel steel 12X18H10T in model solutions of tomato paste by an ensemble of random processes. It showed a rapid response system in the transition to a locally-active state in the process of monitoring pitting corrosion in varying conditions, as confirmed by spectral analysis.
Современные пищевые предприятия активно оснащаются аппаратами, изготовленными из высоколегированных сталей, которые инертны к большинству пищевых сред и обладают высокой прочностью и износостойкостью [1]. Особый интерес в пищевом машиностроении представляют стали аустенитного класса, легированные хромом и никелем, которые характеризуются высокими механическими свойствами, повышенной коррозионной стойкостью, отсутствием пор на поверхности [2]. Наиболее часто применяемым легирующим компонентом для создания коррозионностойких сплавов на железистой основе является хром, обладающий способностью передавать свое свойство пассивироваться железоуглеродистым сплавам [3]. Никель обеспечивает высокие механические и технологические свойства сплавов и также повышает их коррозионную стойкость в депассивирующих средах, благодаря изменению структуры сплава [4].
Стали аустенитного класса применяют в молочной отрасли (оборудование для хранения и стерилизации молока, для производства сухого молока, цистерны для перевозки); в пивоваренной отрасли (теплообменники, отстойные чаны, аппараты для брожения и дображивания, емкости для перевозки пива); при консервировании (технологическое оборудование); в хлебопекарной отрасли (рабочие столы, смесительное оборудование) [1].
Технологические среды пищевых производств по составу и свойствам подразделяют на органические и неорганические. К неорганическим средам относятся химически активные водные растворы неорганических кислот, щелочей, солей и др., к органическим - органические углеродсодержащие соединения растительного и животного происхождения [5].
Сильными коррозионно-активными средами являются среды хлебопекарного производства, продукты брожения которого являются: углекислый
газ, этиловый спирт, различные органические кислоты, молочная и уксусная, некоторые альдегиды и сложные эфиры.
Среды винодельческого производства являются агрессивными по отношению к сталям, так как могут содержать несброженный сахар, сухие вещества, органические кислоты, сложные эфиры, альдегиды и др. Содержание сахаров и спирта в различных сортах вин значительно колеблется в зависимости от сорта.
К специфическим условиям работы пищевых производств относятся присутствие коррозионно-активных пищевых сред, моющих и дезинфицирующих растворов, повышенная температура, значительные перепады давления. Кроме того, такие виды пищевых сред как: соусы, кетчупы, томатные пасты, майонезы, обладают абразивными свойствами.
Анализ коррозионной активности различных пищевых сред показал, что к наиболее агрессивным средам можно отнести томатный сок, при производстве которого широко используется двуокись серы и различные пасты и соусы, содержащие хлорид ионы [6], в присутствии которых хромоникелевые стали подвергаются локальному разрушению, в результате чего, коррозия развивается в отдельных центрах и проявляется в виде мелких глубоких поражений -питтингов [4].
Электрохимические методы мониторинга возникновения питтинговой коррозии обладают рядом преимуществ, т.к. они позволяют получать сигнал об опасных изменениях в коррозионной системе до начала питтинговой коррозии оборудования. В работе [7] предложен модифицированный периодический
потенциостатический способ определения
возможности возникновения питтинговой
коррозии, при изменении условий эксплуатации.
Целью данной работы является определение параметров режима мониторинга питтинговой
коррозии поверхности хромоникелевои стали 12Х18Н10Т в модельном растворе томатноИ пасты.
Методика эксперимента
В качестве объекта электрохимических исследовании использовалась сталь марки 12Х18Н10Т, широко применяемая в пищевой промышленности. Образец представлял собой прямоугольную пластину с рабочей поверхностью 10 см2. Химический состав образцов определяли на рентгено-флуоресцентном анализаторе X-STRATA 980: & 16,94%, № 9,9%, Mn 1,4%, Т 0,39%, Бе 70%. Исследования проводили в модельном растворе с рН 2,7 имитирующем томатную пасту и консервированные среды с томатноИ пастой (3%-ный раствор №аС1 и 1%-ный раствор уксусной кислоты СН3СООН) при комнатной температуре (22±2 0С) в условиях естественной аэрации [8].
В качестве электрода сравнения использовали хлоридсеребряный электрод, вспомогательным электродом служил платиновый электрод. Эксперимент проводили с помощью электрохимической рабочей станции марки 2ГУБ SP2 и персонального компьютера. Объект исследования изучали в потенциостатическом режиме поляризации при смещении потенциала от стационарного значения на 25 - 100 мВ относительно хлорид серебряного электрода сравнения в течение 2700 с.
На основании анализа хронопотенциограмм получали информацию о коррозионно-электрохимическом поведении образцов в стационарных условиях.
Обсуждение результатов
Для проведения мониторинга питтинговой коррозии в модельной среде томатной пасты определяли параметры режима поляризации согласно алгоритму, приведенному в работе [9].
На первом этапе определяли потенциалы рабочих электродов в разомкнутой цепи Есог, потенциал питтингообразования Бр и дополнительные базисы питтингостойкости в данной коррозионной среде (АЕр, ДЕрс , АЕгр): Есог = -180 мВ; Бр = 120 мВ; АЕр = 300 мВ; Брс = 30 мВ; АЕрс = 210 мВ; Бгр = -20 мВ; АЕ1р = 160 мВ.
Для определения параметров режима мониторинга проводили поляризацию исследуемых образцов при смещении потенциала на 25-100 мВ от потенциала свободной коррозии (Есог) и получали не менее 5 реализаций для каждого смещения. По полученным реализациям были построены графики временной зависимости отношения стандартного отклонения силы тока к его среднему значению <о>/<1>= ДЫ/2) [9].
Временная зависимость при смещении потенциала на 25 мВ характеризует пассивное состояние поверхности исследуемой стали [9].
При смещении потенциала на 50 мВ (рис.1а) на временной зависимости прослеживается два
характерных участков, что определяет наличие двух состояний поверхности: пассивность и совместное развитие метастабильных и стабильных питтингов на поверхности металла (рис.1б). Области пассивности поверхности металла соответствует линейный участок кривой (рис.1 б) практически параллельный оси времени продолжительностью 600 с. Участок временной зависимости, на котором наблюдаются колебания, соответствует состоянию совместного развития метастабильных и стабильных питтингов.
При дальнейшем смещении потенциала на 100 мВ на временной зависимости также прослеживались два характерных участка: области пассивности и совместного развития метастабильных и стабильных питтингов. Поэтому в качестве порогового значения потенциала поляризации для способа мониторинга питтинговой коррозии был выбран потенциал ДЕ= 50 мВ, который соответствует минимальному смещению потенциала при котором появляются метастабильные питтинги. Продолжительность поляризации приняли равным 600 с, что соответствует моменту перехода поверхности из состояния пассивности в состояние образования метастабильных питтингов при соответствующем потенциале.
На втором этапе контрольный рабочий электрод подсоединяли к потенциостату в качестве электрода сравнения и выдерживали исследуемый рабочий электрод в модельном растворе при отключенной поляризации, продолжительность выдержки определяли моментом достижения нулевой разницы потенциалов между электродами. Затем поляризовали исследуемый рабочий электрод посредством потенциостата на величину смещения потенциала ДЕ = 50 мВ продолжительностью импульса равной 600 с. После окончания каждого из периодов поляризации исследуемый электрод выдерживали при нулевом потенциале продолжительностью равной 3600 с, что достаточно для восстановления исходного состояния поверхности исследуемого металла.
В процессе эксплуатации оборудования возможны изменения условий, например, за счет повышения агрессивности коррозионной среды, которое имитировали введением в модельный раствор (У=150 мл) дополнительного окислителя -0,2 мл дихромата калия (рис.2).
Анализ полученных зависимостей показал, что в первом периоде поляризации поверхность образца находилась в пассивном состоянии, которое подтверждается значением количества
электричества, прошедшее через
электрохимическую систему равное 27 мкКл, а также отсутствием наклона кривой на графике спектральной плотности [9].
<(Г>/<1>
0.07
0.09
-1/3
-30
б
Рис. 1 - Хроноамперограммы стали 12Х18Н10Т при смещении на 50 мВ в модельном растворе (а) и временная зависимость отношения стандартного отклонения силы тока к его среднему значению (б)
Рис. 2 - Хроноамперограмма (сплошная линия) и хронопотенциограмма (пунктирная линия) стали 12Х18Н10Т в модельном растворе томатной пасты (введение дополнительного окислителя указано стрелкой)
а
После добавления дихромата калия К2Сг2О7, на хроноамперограмме прослеживается резкий скачок значения силы тока, что свидетельствует о переходе поверхности в локально-активное состояние. Значение количества электричество равное 5158 мкКл подтверждает возникновение питтинговой коррозии на поверхности образцов, а на графике спектральной плотности угол наклона принимает положительное значение (рис.3).
L -?.
плотности, развития
Рис. 3 - График спектральной характеризующий состояние питтинговой коррозии
Выводы
1. Определены параметры режима опережающего мониторинга питтинговой коррозии поверхности хромоникелевой стали 12Х18Н10Т в модельном растворе томатной пасты.
2. Мониторинг состояния поверхности показал оперативный отклик системы при переходе поверхности в локально-активное состояние, что было подтверждено методом спектрального анализа.
Литература
1. Роменский Н.П., Супрунчук В.К., Прейс Г.А. Защита от коррозии оборудования пищевой промышленности. Киев: Техника, 1981. 152 с.
2. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: Справочник: В 2 т. Т. 2 / Под ред. А. А. Герасименко. - М.: Машиностроение. 1987. - 784 с., ил.
3. Клинов И.Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы / И.Я. Клинов. - .М.: Машиностроение, 1967.
4. Розенфельд И. Л. Новые методы исследования локальной коррозии / И. Л. Розенфельд, И.С. Данилов // Новые методы исследования коррозии металлов. - М.: Наука, 1973. - C. 201.
5. Металлы и сплавы. Справочник / Под ред Солнцева Ю.П. С.-Пб.: АНО НПО «Профессионал», АНО НПО «Мир и семья», 2003. 1066 с.
6. Локшин Я.Ю. Консервная тара из новых видов жести и из алюминия. М.:Пищ. пром-сть, 1975. 128 с.
7. Ахметова А.Н. Модифицированный способ диагностирования питтинговой / А.Н. Ахметова, С.С. Виноградова // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т.18. - №11. - С. 101-105.
8. Чавчанидзе А.Ш. Электрохимические исслоедования коррозионной стойкости металлических материалов в пищевых средах / А.Ш. Чавчанидзе, А.Г. Ракоч, Н.Ю. Тимофеева, А.Ю. Базаркин // Коррозия: материалы и защита. - 2008. - №12. - С.10-16.
9. Ахметова А.Н. Алгоритм определения параметров режима циклического потенциостатического метода / А.Н. Ахметова, Р.Ф. Тазиева, С.С. Виноградова // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - Т.17. - №14. - С. 466-469.
© А. Н. Ахметова - асс. каф. ТЭП КНИТУ, man-anna87@mail.ru, Е. В. Плешкова - аспирант (асс.) каф. ТЭП КНИТУ, elizavetapl123@gmail.com, C. C. Виноградова - доц. каф. ТЭП КНИТУ, vsvet@kstu.ru., Р. А. Кайдриков - проф. каф. ТЭП КНИТУ.
© A. N. Ahmetova - assistant department of electrochemical engineering KNRTU, anna87@mail.ru, E. V. Pleshkova - postgraduate department of electrochemical engineering KNTU, elizavetapl123@gmail.com, S. S. Vinogradova - phD, associate professor department of electrochemical engineering KNRTU, vsvet@kstu.ru, R.A. Kaydrikov - professor department of electrochemical engineering KNRTU.
