CC BY
45
УДК 620.193
ПРОТИВОКОРРОЗИОННАЯ ЗАЩИТА
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕТУЧИМИ ИНГИБИТОРАМИ
В.И. ВИГДОРОВИЧ1, доктор химических наук, главный научный сотрудник (e-mail: vits21@mail.ru)
Л.Г. КНЯЗЕВА1, доктор химических наук, главный научный сотрудник
Е.Г. КУЗНЕЦОВА1, кандидат химических наук, старший научный сотрудник
Н.Н. АНДРЕЕВ2, доктор химических наук, зав. лабораторией
А.А. УРЯДНИКОВ3, кандидат химических наук, инженер
всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве, пер. Ново-Рубежный, 28, Тамбов, 392022, Российская Федерация
2Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Ленинский проспект, 31, корп. 4, Москва, 119071, Российская Федерация
3Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, ул. Интернациональная, 33, Тамбов, 392000, Российская Федерация
Резюме. Для защиты электрооборудованияживотноводческихпо-мещений предложено использовать летучие ингибиторы коррозии. Методами весовых коррозионных испытаний и электрохимических поляризационных измерений изучена защитная эффективность летучего ингибитора ИФХАН-118. В его присутствии при 100 %-ной относительной влажности воздуха скорость коррозии углеродистой стали Ст3, следующего состава (масс. %): С - 0,20; Mn - 0,51; Si - 0,15; P - 0,04; S - 0,05; Cr- 0,32; Ni - 0,21; Cu - 0,23; Fe - 98,29, снижается в 17 раз. В период ху/в интервале 340 ч < tv< 680 ч достигается максимальный защитный эффект, позволяющий уменьшить интенсивность коррозионного воздействия в 100 раз. Указанный длительный период достижения максимальной эффективности ингибитора обусловлен малой величиной давления его насыщенного пара, составляющей при 20 0С порядка 0,133 Па (10-3 мм рт. ст.), что не сказывается на перспективах практического использования. Ингибитор в нейтральных хлоридных растворах тормозил анодную ионизацию стали, скорость которой лимитирует коррозию в целом. В силу указанных причин он эффективен в условиях животноводческих помещений. Согласно поляризационным измерениям и гравиметрическим испытаниям, ингибитор можно успешно применять для защиты электрооборудования животноводческих помещений, в условиях тропического и субтропического климата, морской атмосферы, когда возможно насыщение поверхностной фазовой пленки влаги хлоридами щелочных металлов. Оптимальная концентрация ингибитора в пленке влаги на поверхности металла 150 мг/л.
Ключевые слова: защита, оборудование, животноводческие помещения, летучие ингибиторы, атмосферная коррозия, защитное действие.
Для цитирования: Противокоррозионная защита сельскохозяйственного оборудования летучими ингибиторами/В.И. Вигдоро-вич, Л.Г. Князева, Е.Г. Кузнецова, Н.Н. Андреев, А.А. Урядников// Достижения науки и техникиАПК. 2017. Т. 31. № 1. С. 56-58.
В современном сельскохозяйственном производстве используют всевозможную аппаратуру защиты и управления. Наиболее тяжелые условия работы такого электрооборудования складываются в животноводстве на обычных товарных фермах, где очень велики влажность и агрессивность среды, а аппаратуру эксплуатируют в кратковременном режиме работы [1]. Электрооборудование выходит из строя вследствие значительной коррозии черных и цветных металлов (неподвижные и подвижные контакты, сердечники, кожухи), а также разрушения изоляции [2].
Среди основных мер по повышению эксплуатационной надежности электроаппаратуры в сельском хозяйстве (кроме планового технического обслуживания) можно назвать следующие:
вынос за пределы животноводческих ферм в специально пристроенные помещения, что усложняет управление приводами и требует увеличения материальных затрат;
создание микроклимата в шкафах управления. Исследования показали, что поддерживание температуры в шкафу выше, чем в окружающей среде препятствует попаданию агрессивных агентов среды к аппаратуре управления, и она хорошо сохраняется [3];
применение летучих ингибиторов для защиты от коррозии и замедления процесса старения изоляции. Этот способ чрезвычайно прост и может быть использован повсеместно.
Летучие ингибиторы коррозии (ЛИК) эффективны при защите двигателей внутреннего сгорания, паровых котлов в период остановки, изделий с закрытыми внутренними полостями. Их широко используют при консервации и межоперационной защите металлоизделий, работающих в замкнутых пространствах, электрооборудования, во время хранения запасных частей. Они эффективны при введении в щели и зазоры, недоступные для контактных замедлителей. ЛИК можно применять для защиты электронных блоков, датчиков в системах сигнализации и управления режимами работы многих сельскохозяйственных машин, в том числе различных уборочных комбайнов [2-4].
Следует отметить, что в сельском хозяйстве давно и широко используют контактные ингибиторы коррозии, прежде всего для защиты техники от атмосферной коррозии в период межсезонного хранения [1-9], летучие ингибиторы в силу различных причин такого распространения не нашли. Вместе с тем кафедра химии и существующая при ней лаборатория Челябинского института механизации и электрификации сельского хозяйства в свое время были одними из лидеров в научных исследованиях в этой области [10, 11].
Цель нашей работы - изучение защитной эффективности летучего ингибитора ИФХАН-118, по отношению к атмосферной коррозии углеродистой стали Ст3 в условиях 100 %-ной относительной влажности.
Условия, материалы и методы. Работу проводили в ВНИИТиН совместно с институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН и Тамбовским государственным университетом им. Г.Р. Державина, которые входят в число лидеров по направлению коррозионных исследований в нашей стране.
В качестве ЛИК изучали разработанный в последние годы в Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН ингибитор ИФХАН-118, который служит замедлителем коррозии черных металлов. Он представляет собой соль ароматического амина с давлением насыщенного пара при 20 0С порядка 0,133 Па и третьим классом опасности (умеренно опасный) по [12]. ПДК рабочей зоны для этих веществ достигает 10 мг/м3, средняя смертельная доза при введении в желудок и нанесении на кожу - соответственно до 5000 и 25000 мг/кг, средняя смертельная концентрация в воздухе 50000 мг/м3 [12].
При указанном ранее давлении насыщенного пара (ДНП) максимальная концентрация ИФХАН-118 в воздухе замкнутого пространства при молярной массе соли - 200 г/моль равна 10,9 мг/м3, что в 4587 раза ниже максимально допустимой для веществ третьего класса опасности [12].
Коррозионные испытания проводили в герметичных эксикаторах объемом 7 л, в которых на подставках с использованием капроновых нитей подвешивали образцы углеродистой стали Ст3. Размер образцов шлифованных до 6-ого класса чистоты - 30x25x3 мм. Перед опытами их обезжиривали ацетоном и взвешивали с точностью до 510-5 г. Состав стали (масс. %): С - 0,20; Мп - 0,51; Б1 - 0,15; Р -0,04;Б - 0,05; Сг - 0,32; N1 - 0,21; Си -0,23; Fe - 98,29.
Для создания 100 %-ной относительной влажности в эксикаторы помещали сосуды с дистиллированной водой (0,3 л), а также резервуары с ингибитором (~20 г). Воду, помимо создания относительной влажности, использовали для оценки равновесной концентрации растворенного в ней в результате абсорбции ингибитора из паровой фазы и в качестве растворителя при проведении электрохимических измерений кинетики парциальных электродных реакций. С этой целью перед измерениями в получаемый состав с поглощенным ингибитором вводили расчетное количество хлорида натрия для получения 0,1 М раствора NaCl.
Каждую партию образцов (6 на точку) помещали в отдельный эксикатор. В одном из них находились контрольные образцы (ингибитор отсутствовал). Продукты коррозии снимали 10 %-ным раствором НС1, ингибированным 1 г/л и 3 г/л гексаметилентетраамином.
Электрохимические измерения проводили в трехэлек-тродной электрохимической ячейке из стекла «Пирекс» с платиновым вспомогательным электродом и хлоридсере-бряным электродом сравнения. Для получения потенциоди-намических поляризационных кривых с разверткой 0,66 В/с использовали потенциостат производства ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина РАН. Поляризационные измерения проводили в исходном 0,1 М растворе NaCl, не содержащем ингибитор, насыщенном из паровой фазы, а также в модельных средах, содержащих 5, 50, 150, 500 мг/л ИФХАН-118.Водородный показатель растворов в присутствии ингибитора был близок к 7 (специальные измерения). Растворимость ингибитора в воде, видимо, слегка превышает 500 мг/л. Количественно ее не измеряли, так как эти данные не давали дополнительной информации для нашей работы.
Электроды для электрохимических измерений из стали Ст3 с рабочей поверхностью ~ 1 см2 цилиндрической формы армировали в оправку из эпоксидной смолы ЭД-5 с отвердителем полиэтиленполиамином. Перед опытами их шлифовали, обезжиривали ацетоном и сушили фильтровальной бумагой. Все замеры осуществляли на неподвижном электроде в аэрируемой атмосфере. Потенциал пересчитывали по нормальной водородной шкале. Защитное действие ингибиторов К %) определяли по формуле: г = 100[(ко К/К], (1)
где Ко и Ки - скорость коррозии соответственно в отсутствии и присутствии ингибиторов в системе. Отметим, что отношение Ко/ Ки представляет собой коэффициент у, показывающий, во сколько раз снижается скорость коррозии металла в присутствии замедлителя. Величины г и у связаны уравнением:
у = (1 - г)-1 (2)
Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с достоверной вероятностью 0,95 и коэффициентом Стьюдента 2,443 (6 параллельных измерений, методика малых выборок [13]).
Результаты и обсуждение. В условиях проведения эксперимента при комнатной температуре, учитывая малое
давление насыщенного пара ингибитора, можно было ожидать, что насыщение им поверхностной пленки влаги, формирующейся на испытуемых образцах, займет продолжительное время. Это могло привести к высокой скорости коррозии в начальном периоде ту из-за малой величины Z. Однако этого не произошло. Уже в первые 340 ч испытаний защитное действие достигло 94 %, то есть скорость коррозии была понижена почти в 17 раз (табл. 1).
Таблица 1. Зависимость защитного действия ингибитора ИФХАН-118 от продолжительности воздействия среды при атмосферной коррозии стали Ст3 в условиях 100%-ной относительной влажности воздуха
Продолжительность коррозии, ч K г /м2ч Z, %
340 0,012 94
680 0,026 99
1360 0,064 99
Однако насыщение паром поверхностной пленки, видимо, не было достигнуто, так как величина Z оказалась меньше возможной величины Zmax. Лишь в период 340< т^ < 680 ч достигалась максимальная растворимость ингибитора и, соответственно, Zmax. В этих условиях скорость коррозии стали снизилась в 100 раз. Нужно учесть, что в отсутствии ингибитора величина этого показателя существенно возрастала во времени в силу разрыхления верхнего слоя и увеличения площади истинной поверхности металла.
Результаты поляризационных измерений в присутствии различных концентраций ингибитора в 0,1 М растворе NaCl при комнатной температуре показали, что в области более отрицательных потенциалов в процессе внешней поляризации сдвигаются катодные участки поляризационных кривых, в противоположном направлении - их анодные ответвления (см. рисунок). Пересечение этих участков характеризует потенциал коррозии стали Екор, который также называют компромиссным потенциалом, а за рубежом потенциалом разомкнутой цепи.
Потенциал коррозии Екор стали четко увеличивается с ростом концентрации ИФХАН-118 в рабочем растворе до 150,0 мг/л (табл. 2). Это может быть обусловлено торможением или облегчением катодной реакции, которая протекает по суммарному уравнению:
Рисунок. Влияние концентрации ингибитора ИФХАН-118 на кинетикупарциальных электродных реакций на стали Ст3 в аэрируемых 0,1 М растворах №С1 при комнатной температуре (неподвижный электрод): 1 - ингибитор отсутствует (фоновый раствор); 2 - абсорбция ингибитора из газовой фазы в результате его поглощения в эксикаторе в течение четырех недель. Содержание ингибитора в калибровочных растворах, мг/л: 3 - 5; 4 - 50; 5 - 150; 6 - 500.
Таблица 2. Влияние концентрации ингибитора ИФХАН-118 в 0,1 М раство
ре NaCl на Е кор стали Ст3
Насыщение из па- 50&
Синв, мг/л 0 ровой фазы эксика- 5 50 150
тора (4 недели)
- Е кор.,В 0,400 0,300 0,400 0,380 0,330 0,300
*насыщенный раствор, полученный растворением ингибитора из собственной фазы
О2 + 2 Н2О +4 е ^ 4 ОН-.
При этом уже в присутствии 150 мг/л ИФХАН-118 уровень торможения им анодного процесса практически не отличается от ситуации, наблюдаемой при 4-х недельной абсорбции замедлителя из паровой фазы.
Таким образом, эффективное содержание этого ингибитора составляет порядка 150 мг/л. Превышение этой величины вплоть до достижения равновесной концентрации нецелесообразно, так как с ростом Синг сверх 150 мг/л концентрационный эффект отсутствует.
Этот результат важен для оценки, как расхода ингибитора, так и его действия при частичной разгерметизации защищаемой системы.
Выводы. Летучий ингибитор ИФХАН-118 эффективно защищает углеродистую сталь в условиях атмосферной коррозии при 100 %-ной относительной влажности воздуха. Согласно результатам поляризационных измерений и гравиметрических испытаний, его можно успешно применять для защиты электрооборудования помещений в условиях тропического и субтропического климата, морской атмосферы, когда возможно насыщение поверхностной фазовой пленки влаги хлоридами щелочных металлов. Оптимальная концентрация ИФХАН-118 в поверхностной пленке влаги составляет 150 мг/л.
(3)
Анализ поляризационных кривых (см. рисунок) показал следующее. Введение в коррозионную среду 5 мг/л ИФХАН-118 очень слабо тормозит анодную реакцию ионизации стали, в связи с чем анодная ветвь поляризационной кривой лишь незначительно смещается в область положительных потенциалов. Но Екор при этом практически не изменяется. Это связано с заметным торможением катодного процесса (1), практически компенсирующим (см. рисунок) анодный эффект ингибитора. Однако торможение анодной реакции в присутствии 5 мг/л ингибитора гораздо слабее, чем эффект, наблюдаемый при сорбции ИФХАН-118 из паровой фазы за 4 недели. К тому же подобный рост содержания абсорбированного ингибитора ускоряет катодную реакцию (см. рисунок, кривые 1,2,3). Последующее увеличение содержания ИФХАН-118 в 0,1 N NaCl до 50 и 150 мг/л стабильно увеличивает торможение анодной реакции, а переход к раствору 500 мг/л ингибитора не меняет кинетику ионизации металла.
Литература.
1. Кузьмин В.Н., Федоренко В.Ф., Сазонов С.Н. Справочник фермера. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2013. 616 с.
2. Северный А.Э. Система рационального хранения сельскохозяйственной техники: дис. ... докт. технических наук. М.: ГОСНИТИ, 1988. 420 с.
3. Андреев Н.Н., Гончарова О.А. Защита металлов летучими ингибиторами коррозии: обзор патентной литературы. Ч. I. // Коррозия: материалы, защита. 2012. № 7. С. 26-33.
4. Большакова А.А., Ковалева О.М. Исследование защитных свойств летучих ингибиторов коррозии различных металлов в атмосфере животноводческих ферм // Повышение антикоррозионных и механических свойств деталей сельскохозяйственных машин и оборудования: труды ЧИМЭСХ. Челябинск, 1976. С. 27-30.
5. Global Needs for Knowedge development in Deterioration and Corrosion Control / G. Schmitt, M. Schutze, G.F. Hays, et al. N.J: Wiley. 2009. № 7. Pp. 201.
6. Revite R. Uhlig's corrosion handbook. 3rd ed. Hoboken, N.J.: Wiley. 2011. Pp.501
7. Томашов Н.Д.Теория коррозии и защиты металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 592 с.
8. ВигдоровичВ.И., Насыпайко И.Г., Прохоренков В.Д. Антикоррозионные консервационные материалы. М.:Агропромиз-дат, 1987. 128 с.
9. Прохоренков В.Д., Князева Л.Г., Вигдорович В.И. Доступные противокоррозионные материалы для защиты сельскохозяйственной техники от атмосферной коррозии // Практика противокоррозионной защиты. 2003. № 3. С. 51-54.
10. Голяницкий О.И. Адсорбция, десорбция и пассивация // Труды ЧИМЭСХ. Челябинск, 1976. С. 42-48.
11. Голяницкий О.И. Адсорбция, десорбция и пассивация// Труды ЧИМЭСХ. Челябинск, 1976. С. 49-56.
12. ГОСТ 12.1.007-76. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. М.: Стандартинформ, 2007. 7с.
13. Физико-химические методы анализа: практическое руководство / В.Б. Алесковский, В.В. Бардин, Е.С. Бойчинова и др. 2-е изд., пер. и испр. Л.:Химия, 1971. 424 с.
ANTICORROSIVE PROTECTION OF AGRICULTURAL EQUIPMENT BY VOLATILE INHIBITORS
V.I. Vigdorovich1, L.G. Knyazeva1, E.G. Kuznetsova1, N.N. Andreev2, A.A. Uryadnikov3
'All-Russian Research Institute of Application of Equipment and Oil Products in Agriculture, per. Novo-Rubezhnyi, 28, Tambov, 392022, Russian Federation
2A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry on the RAS, Leninskii prosp., 31, korp. 4, Moskva, 119071, Russian Federation
3G.R. Derzhavin Tambov State University, ul. Internatsional'naya, 33, Tambov, 392000, Russian Federation
Abstract. Volatile inhibitors of corrosion were proposed to use for the protection of electrical equipment of housing for livestock. The protective efficiency of IFKHAN-118 volatile inhibitor was studied by the gravimetrical corrosive tests and electrochemical polarization measurements. At 100 % relative air humidity the corrosion rate of carbon steel St3 with the following composition (% wt): C - 0.20, Mn - 0.51, Si - 0.15, P -0.04, S - 0.05, Cr - 0.32, Ni - 0.21, Cu - 0.23, Fe - 98.29 reduced 17 times in the presence of this preparation. During the period from 340 to 680 hours the maximum protective effect is achieved, decreasing the intensity of corrosion destruction 100 times. This long period to achieve the maximum efficiency of the inhibitor is caused by the low pressure of its saturated vapor; it is about 0.133 Pa (10E-3 mm Hg) at 20 Celsius degrees, which do not affect the prospects of its practical use. The inhibitor in neutral chloride solutions inhibited anode ionization of steel, the rate of which limits the corrosion in general. For these reasons, the inhibitor is effective under conditions of livestock buildings. According to the polarization measurements and gravimetric tests, the inhibitor can be successfully used to protect electrical equipment of livestock buildings, under conditions of tropical and subtropical climate, sea air, when the saturation of surface phase film of moisture by chlorides of alkali metals is possible. The optimum concentration of the inhibitor in the moisture film on the metal surface is 150 mg/l. Keywords: protection, equipment, livestock housing, volatile inhibitors, atmospheric corrosion, protective action. Author Details: V.I. Vigdorovich, D. Sc. (Chem.), chief research fellow (e-mail: vits21@mail.ru); L.G. Knyazeva, D. Sc. (Chem.), chief research fellow; E.G. Kuznetsova, Cand. Sc. (Chem.), senior research fellow; N.N. Andreev, D. Sc. (Chem.), head of laboratory; A.A. Uryadnikov, Cand. Sc. (Chem.), engineer.
For citation: Vigdorovich V.I., Knyazeva L.G., Kuznetsova E.G., Andreev N.N., Uryadnikov A.A. Anticorrosive Protection of Agricultural Equipment by Volatile Inhibitors. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2017. V. 31. No 1. Pp. 56-58 (in Russ.).
