Исследования коррозионного износа и долговечности защитных покрытий - Испытания стальных образцов

НАТУРНЫЕ КОРРОЗИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

В процессе выполнения натурных испытаний стальных образцов исследована кинетика коррозионных процессов стали марки СтЗ, изучены закономерности распределения коррозионных поражений элементов по высоте опор и порталов, установлен количественный критерий для определения однородных зон эксплуатации ВЛ при проведении натурного обследования.
Натурные экспериментальные исследования проведены с учетом требований стандартных методов испытаний. Образцы для коррозионных испытаний изготовлены из стали ВСтЗпсб, так как сталь этой марки является основным материалом для изготовления опор и порталов. Размеры стандартных образцов 50*50*4 мм.
Исходные показатели образцов до испытания определялись гравиметрическим методом и путем выборочного контроля параметра шероховатости поверхности Ra. Подготовленные образцы помещались в деревянные кассеты таким образом, что их количество составляло 6 штук для разового съема.
Программа испытания предусматривала проведение двадцати съемов для оценки изменения начальных характеристик образцов с периодом эксплуатации, кратным 6 мес в течении 10 лет. Образцы в деревянных кассетах были размещены на опорах ВЛ и порталах ОРУ ПЭО «Донбассэнерго». При этом испытуемые образцы устанавливались вертикально в направлении к югу. На опорах кассеты размещались на уровне дневной поверхности грунта, на отметках 0,5 и 2,0 метра выше дневной поверхности и далее равномерно по высоте конструкций.
Предварительно по данным Гидрометеорологической службы и санитарно-эпидемиологических станций Министерства здравоохранения Украины были установлены районы с характерными параметрами атмосферы. Для определения степени агрессивности воздействия атмосферы использовались следующие параметры: зона влажности в зависимости от продолжительности увлажнения поверхности металла (2т, ч/год) и концентрации коррозионноактивных примесей С, (мг/м3 для сернистого газа и мг/ м2 • сут для Cl-ионов).
Натурные испытания проводились в умеренно влажном регионе с суммарным временем увлажнения 2т=3000...3600 ч/год (временем увлажнения фазовой влагой 2100—2500 ч/год). Основными коррозионно-активными примесями в атмосфере являются сернистый газ ( SO2 — в городских промышленных районах — и аэрозоли морской воды (Cl-ионы) — в приморских и морских районах, по предварительным данным были установлены районы прохождения воздушных линий электропередачи, где уровень и природа коррозионно-активных загрязнений отвечали классификации атмосферы в соответствии со стандартом СЭВ 991-78 «Коррозионная агрессивность атмосферы. Классификация». Таким образом, образцы размещались в четырех аэрохимических типах атмосферы: сельской (концентрация сернистого газа < 0,015 мг/м3), городской (С = 0,016...0,200мг/м3), промышленной (С1 = 0,201...0,500 мг/м3), приморской (C SO2 < 0,015 мг/м3, концентрация ионов хлора  СсГ = 1,0—20,0 мг/м2-сут).
Оценка результатов испытаний осуществлялась после каждого промежуточного съема по потере массы и выборочным определениям параметра шероховатости Ra при неравномерном характере коррозионного разрушения поверхности стальных образцов.
Анализ экспериментальных данных позволил установить аналитическую зависимость для описания коррозионного процесса в атмосферных условиях (в первые два-три года эксплуатации)
(4)
где 1к — глубина коррозионного поражения, мкм; v0 — начальная скорость проникновения коррозии, мкм/год; т — время, лет; к — коэффициент, учитывающий влияние продуктов коррозии на скорость коррозионного процесса.

Рис. 5. Экспериментальные зависимости глубины коррозионного поражения стали ВСтЗпсб от времени:
1,2 — в зоне аэродинамической тени металлургического завода; 3,4 — в промышленной атмосфере; 5,6 — в городской атмосфере; 7,8 — в сельской атмосфере; сплошные линии - аппроксимация полиномом первой степени, штриховые — степенной функцией

Расчет параметров регрессионных моделей (4) для исследуемых типов атмосферы выполнен методом наименьших квадратов с использованием стандартной программы на ЭВМ. Начальная скорость проникновения коррозии (v0, мкм/год) характеризует степень агрессивного воздействия атмосферы. Величина ее изменяется от 16,8 мкм/год для приморской атмосферы до 173,5 мкм/год для промышленной атмосферы.
В зависимости от агрессивности среды установившаяся скорость коррозии стали достигается после двух-трех лег эксплуатации, степенная зависимость от времени переходит в линейную:
(5)
где a1, b1 — коэффициенты регриссионной модели; b1 — постоянная, характеризующая установившуюся скорость коррозии.
Постоянная величина б1 является функцией времени увлажнения поверхности  и загрязнения атмосферы  SO2. На рис. 5 представлены графики функций  для различных типов атмосферы. Степень приближения уравнений регрессии (4), (5) к экспериментальному материалу оценивалась выборочным коэффициентом корреляции, который изменяется в интервале 0,940—1,0 м выше дневной поверхности грунта. Действительная скорость коррозии по высоте конструкции опоры или портала различна и имеет характерные особенности, которые нельзя не учитывать в условиях эксплуатации.

В результате натурных испытаний получены выборки коррозионных потерь образцов, расположенных на разных уровнях по высоте конструкции. Считаем, что распределение ошибок подчиняется нормальному закону. Определяем статистические оценки числовых характеристик выборки (математическое ожидание, дисперсию и среднеквадратичное отклонение). Значимость фактора влияния высоты расположения образцов на их коррозионные потери определяется путем сравнения оценки математического ожидания потерь от коррозии на отметке 2,0 м со средними потерями на других отметках. Однородность дисперсий выборок проверяем с помощью табличного значения критерия Фишера. Фактор влияния высоты расположения считаем значимым с вероятностью 0.95, если выполняется условие:

(6)
где ДР2 0 — математическое ожидание коррозионных потерь на отметке

1. м, г/м2; ДРп — математическое ожидание коррозионных потерь на сравниваемой высоте, г/м2; ta — критерий Стьюдента для уровня значимости 0,05 и числа степеней свободы /= лх+ п2—2=6+6—2=10; Scb — средневзвешенная дисперсия; лх+ п2 — число замеров (образцов) в выборках («!= п2= 6).

Расчеты, проведенные для исследуемых типов атмосферы, показали неоднозначность влияния высоты расположения образцов на их коррозионный износ. Интенсивность коррозии на определенной высоте можно оценивать с помощью коэффициента влияния высоты расположения элемента конструкций.
(7)
(7)
Экспериментальные значения коэффициента Kh для характерных типов атмосферы приведены в табл. 1.

1. Влияние высоты расположения элемента конструкции на коэффициент Kh

Результаты натурных исследований показали, что образцы, расположенные на верхних отметках, подвержены коррозии больше. Это, в основном, объясняется тем, что с увеличением высоты температура воздуха и поверхности металла понижается (на 0,5—0,7 °С при высоте Л= 30 м), а относительная влажность повышается (на 2—3 %). Отмеченные явления приводят к увеличению времени смачивания конструкции фазовыми пленками влаги и увеличению толщины абсорбционных слоев влаги, а следовательно, и к большому коррозионному поражению.
В районах с промышленным загрязнением среды отмечается более равномерное распределение коррозионных поражений образцов по высоте конструкции. Так, анализ результатов испытаний образцов на опоре № 33 ВЛ 330 кВ Чайкино — Макеевская вблизи Макеевского металлургического комбината позволил установить, что распределение коррозионных потерь по высоте конструкции можно считать равномерным. Аналогичные данные получены на опоре № 60 ВЛ 110 кВ Макеевская — ЦРП Чайкино, расположенной в промышленной атмосфере.
В пределах высоты 0,0—0,5 м интенсификация коррозионных процессов обусловлена наличием растительности и гигроскопической пыли, способствующих увеличению времени увлажнения поверхности металла.
Исследование коррозионного разрушения поверхности стальных образцов осуществлялась путем выборочного контроля среднеквадратичного отклонения профиля Ra. Удаление продуктов коррозии, образовавшихся в процессе испытаний, производилось обработкой образцов в ингибированном растворе 20 % соляной кислоты. Параметр шероховатости поверхности Ra измерялся с помощью профилометра с унифицированной электронной системой (тип А, группа II по ГОСТ 19300—73, модель 283) в пределах базовой длины трассы измерения /=4,8 мм.
Анализ полученных параметров Ra свидетельствует о неоднородном характере разрушения образцов, расположенных на разных высотных отметках. Для всех исследуемых типов атмосферы наблюдается увеличение параметра Ra образцов, расположенных на отметках 0,0 м и 0,5 м (/?0“3,2...4,6 мкм). Микрогеометрия образцов, находившихся на отметках выше 2,0 м, после одного года испытаний характеризуется параметром R=2,5...3,0 мкм. Среднеквадратичное отклонение профиля поверхности исходных образцов R=\,5...7 мкм.
Материалы натурных коррозионных испытаний позволили выделить эксплуатационные зоны по высоте опор ВЛ и порталов ОРУ, отличающиеся условиями и интенсивностью протекания коррозии. Первая зона находится выше уровня грунта до отметки 1,5—2 м.
Характерным видом является коррозия (питинги). Вторая зона коррозии располагается выше отметки 2,0—20,0 м (для приморской атмосферы) и до 42,0 м (для городской атмосферы). Выше этих отметок находится третья эксплуатационная зона. Наиболее характерным видом для этих зон является равномерная коррозия. Границы эксплуатационных зон условные, однако при проведении натурного освидетельствования конструкций опор и порталов необходимо их учитывать.