Моделирование действия протекторной защиты в паре Fe-Cr

Коррозия — процесс химического или электрохимического разрушения металлов под действием окружающей среды. Электрохимическая коррозия — это разрушение поверхностного слоя, сопровождающееся появлением электрического тока в результате работы множества микрогальванических элементов на корродирующей поверхности металла.

Протекторная защита металла — способ антикоррозионной защиты, при котором защищаемой поверхности необходимо обеспечить контакт с более активным металлом. По отношению к железу, более активными металлами являются кадмий, хром, цинк, магний и другие металлы.

Из механизма коррозии металла, следует, что более активный металл начинает испускать электроны и присоединять к образовавшимся ионам гидроксильной группы из раствора электролита, а другой, менее активный, будет принимать электроны, присоединяя их к своим ионам. В результате, более активный металл (анод) будет окисляться, а менее активный металл (катод) восстанавливаться. Таким образом, анод будет защищать от коррозии. В результате, анод будет окисляться, а катод восстанавливаться.

Для реализации модели электрохимической коррозии был использован метод вероятностного клеточного автомата. Данный метод был выбран потому, что он характеризуется высокой скоростью обработки данных, достаточной достоверностью получаемых результатов и простотой их графического отображения.

Вероятность реализации акта коррозии в случае отсутствия протектора рассчитывалась исходя из электрохимического потенциала металла; при наличии протектора на вероятность влияли разность потенциалов металлов основания и протектора, а также расстояние от точки до протектора и величина неразрушенной его части.

Ниже представлены результаты работы программы расчета, для опыта без протекторной защиты.

Рисунок 1 – Вид профиля коррозии через 1000 мкс

На рисунке 1 показан профиль поверхностного слоя металла. В начальный момент времени поверхность задавалась атомарно гладкой, но через некоторое время в результате коррозии появились неровности. Для нахождения эквивалентного уровня использовалось осреднение. Исходя из данного опыта, была вычислена скорость протекания процесса коррозии.

Рисунок 2 – Изменение скорости протекания процесса с течением времени

По графику на рисунке 2 видно, что в начале скорость коррозии возрастает, а затем остается постоянной. Это происходит потому, что изначально поверхность металла задается атомарно гладкой, а в ходе протекания процесса в ней образуются неровности, что увеличивает площадь контакта со средой и, следовательно, увеличивает скорость коррозии.

Далее был проведен опыт с присутствием на поверхности металла-протектора.

Рисунок 3 – Вид профиля коррозии через 1000 мкс

Из рисунка 3 видно, что максимальная защита поверхности обеспечивается в непосредственной близости к протектору, а по мере удаления от него процесс коррозии идет быстрее.

Рисунок 4 – Отношение скорости коррозии с протектором к скорости коррозии без него на всей поверхности в разные моменты времени

На графике (рисунок 4) горизонтальной пунктирной линией отмечен уровень, ниже которого скорость коррозии составляет мене 30% от скорости коррозии без протектора и, соответственно, ниже которого защита может считаться эффективной. Таким образом, можно определить радиус, защиту которого обеспечивает протектор.

Для расчета эффективного радиуса защиты произведем аппроксимацию полученных кривых полиномами 6-ой степени и найдем точки пересечения их с уровнем 30%.

Таблица 1 – значения эффективных радиусов защиты

В таблице 1 представлены значения, полученные в ходе численного моделирования и анализа полученных данных.