Коррозия стали СТ3 в технологических водных растворах нитрата кальция

температурный диапазон использования, а также высокая коррозионная активность заметно ограничивают возможности использования концентрированных солевых растворов в качестве охлаждающих жидкостей и теплоносителей.

Распространенным методом защиты от коррозии, особенно в нейтральных или близких к ним средах, где коррозия протекает преимущественно с кислородной деполяризацией, является введение в агрессивную среду специально подобранных соединений – ингибиторов [4,5].

Целью настоящей работы является изучение коррозионной активности модельного раствора нитрата кальция (РНК) и аммонизированного раствора нитрата кальция (АРНК) с неорганическими и органическими добавками в отношении конструкционной малоуглеродистой нелегированной стали Ст3, представленной в системах охлаждения ДВС.

Исследование коррозионной активности водных растворов нитрата кальция (модельного (45 % масс. Ca(NO3)2) и аммонизированного (45 % масс. Ca(NO3)2, 6 % масс. NH4NO3)) проводили при комнатной температуре вольтамперометрическим методом на стали Ст3 в отсутствие добавок и в присутствии бихромата калия и моноэтаноламина (1 % масс.). Использовали трехэлектродную электрохимическую ячейку с хлоридсеребряным электродом сравнения и платиновым вспомогательным электродом. Поляризационные кривые снимали при помощи потенциостата IPC-Compact, изменяя потенциал рабочего стального электрода из катодной в анодную область со скоростью 10 мВ/с. Потенциалы в работе приведены по шкале стандартного водородного электрода, токи отнесены к геометрической площади исследуемого электрода.

Для определения базовых параметров коррозионного процесса (таблица 1) экстраполировали линейные участки анодной и катодной кривых (рисунок 1) до взаимного пересечения в точке с координатами Екорр (потенциал коррозии) и lgiкорр (iкорр – скорость коррозии в токовых единицах) [6]. Значения тафелевых наклонов линейных участков поляризационных кривых приведены в табл. 2.

Таблица 1

Основные параметры коррозионного процесса на стали Ст3 в РНК (числитель) и АРНК (знаменатель)

Параметр	Добавка
	отсутствует	K 2 Cr 2 O 7	моноэтаноламин
рН раствора	5,6 7,9	4,5 7,7	11,2 9,7
Потенциал коррозии Е корр , мВ	- 546 - 331	- 351 - 443	- 458 - 376
Ток коррозии i корр , мкА/см2	28 72	30 36	8 76
Скорость коррозии K , г/(м2ч)	0,28 0,72	0,30 0,36	0,08 0,76
Проницаемость П , мм/год	0,31 0,80	0,33 0,40	0,09 0,84
Степень защиты Z , %	—	0 50	71 - 5,5
Коэффициент торможения Y	–	1,0 2,0	3,3 0,95

Рис. 1. Поляризационные кривые, полученные на стали Ст3 в модельном (а) и аммонизированном (б) растворах нитрата кальция без ингибитора (1) и с добавкой моноэтаноламина (2) и K 2 Cr 2 O 7 (3)

Анализ поляризационных кривых в модельном растворе (рис. 1а) показывает, что бестоковый потенциал коррозии при введении добавок смещается в положительную сторону, а ток анодного процесса при Е = const уменьшается. Эффекты облагораживания коррозионного потенциала и замедления перехода металла в раствор более ярко выражены с добав- кой бихромата калия, чем с моноэтанолами-ном. Влияние на катодный процесс обратное: скорость реакции восстановления на стали при введении ингибиторов в нитратную коррозионную среду не падает, а возрастает. Аммонизация нитратного раствора заметно изменяет электрохимическое поведение системы (рис. 1б). Так, бестоковый потенциал в аммонизированном растворе значительно более положительный, чем в модельном, и при введении добавок, напротив, разблагораживается.

Значения параметров уравнения Тафеля (табл. 2), найденных по линейным участкам E , lg i -кривых на стали в модельном нитратном электролите с разными добавками, свидетельствуют, что коррозия, видимо, протекает с водородной деполяризацией. Действительно, наклон линейного участка катодной полулогарифмической поляризационной кривой составляет (-120 мВ) (исключением является раствор с добавкой моноэтаноламина), что свидетельствует о замедленной стадии разряда

Таблица2

Параметры уравнения Тафеля E = a i + b i •lg i (мВ) для анодного ( a_a и Ь а ) и катодного ( а_к и Ь_к ) парциальных процессов на стали Ст3 в РНК (числитель) и АРНК (знаменатель)

Параметр Добавка отсутствует К2СГ2О7 МЭА -704 -515 -752 aa -243 -296 -276 bа 43 38 60 89 121 89 -883 -685 -569 aк -445 -509 -462 bк -121 -120 -51 -76 -14 -76 коэффициенту торможения:

Скорость коррозионного процесса К , найденная из i _корр по закону Фарадея, в модельном растворе нитрата кальция ниже, чем в аммонизированном (табл. 1), однако в обоих случаях сталь Ст3 по шкале коррозионной стойкости [7,8] следует отнести к пониженно стойким материалам.

Эффективность добавок в отношении коррозионного процесса оценивали по стандартным параметрам [4]: проницаемости П = 1,11 К ; степени ингибиторной защиты:

Z = K 1   K ² . юо% _ i корр,¹   i корр,² . 100%

K 1                       i корр,1

водорода с переносом одного электрона [4]. Добавление моноэтаноламина, а также аммонизация раствора нитрата кальция снижает кислотность среды (таблица 1), что, вероятно, способствует реализации иного механизма многостадийного катодного процесса, осложненного кислородной деполяризацией.

Аналогичный эффект наблюдается и в анодном поведении стального электрода: если в модельных растворах без ингибитора и с бихроматом калия наклон прямолинейной зависимости потенциала от логарифма анодного тока равен в среднем 40 мВ (табл. 2), что служит признаком электрохимической реакции растворения металла до двухзарядных ионов по двухстадийному механизму с замедленной стадией отщепления второго электрона [4], то введение моноэтаноламина и переход к аммонизированному раствору заметно затрудняют анодный процесс: наклон соответствующего участка Е, lg i- зависимости увеличивается до 60 - 121 мВ (табл. 2).

Y = ^K 1 _ i корр,1 К “ i , , 2 корр,2

где К 1 ( i корр,1 ) и K 2 ( i ко _РР ,2 ) — скорость (плотность тока) саморастворения металла в среде без добавки и с добавкой, соответственно.

Эти параметры, найденные по пересечению линейных участков полулогарифмических поляризационных кривых, отвечающих проте канию парциальных процессов на стали в исследуемых средах, приведены в табл.1.

Введение добавки бихромата калия в модельный раствор заметно снижает скорость анодного растворения стали, однако существенно увеличивает скорость катодной реакции (рис. 1а). Как результат, несмотря на сдвиг коррозионного потенциала в положительную сторону, скорость коррозии практически не изменяется в сравнении с исходным нитратным раствором. В случае моноэтаноламина скорость анодной реакции снижается значительнее, чем катодной, а потому уменьшается и скорость коррозионного процесса в целом. В аммонизированном растворе нитрата кальция моноэтаноламин также снижает скорость анодного растворения стали, однако скорость катодной реакции увеличивается, несмотря на сдвиг коррозионного потенциала в положительную сторону, в результате скорость коррозии практически не изменяется по сравнению с модельным раствором. При применении бихромата калия в качестве ингибитора скорость коррозионного процесса стали Ст3 заметно снижается.

В соответствии со шкалой коррозионной стойкости [7,8] сталь Ст3 в базовом растворе нитрата кальция и с добавкой бихромата калия следует отнести к пониженно стойким материалам; органическая добавка моноэтаноламина к РНК позволяет перевести сталь Ст3 в группу стойких к коррозии материалов. В аммонизированном растворе Ca(NO3)2, как и с добавкой моноэтаноламина, сталь Ст3 можно считать стойким материалом, в то время как введение бихромата калия в АРНК позволяет отнести сталь Ст3 к весьма стойким к коррозии материалам.