Взаимодействие водорода с металлом при электролитической обработке
Автор: Суранов Г.И., Латышев А.А., Карманова О.М., Васильев В.В.
Журнал: Известия Коми научного центра УрО РАН @izvestia-komisc
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 4 (20), 2014 года.
Бесплатный доступ
Приведены экспериментальные данные о составе газа, выделяющегося в процессе электролитического наводороживания чугунных, цинковых, железных образцов. При взаимодействии водорода с углеродом образцов образуется метан и другие углеводороды (этан-гексан). В образцах наводороженного трансформаторного железа значительно снижается содержание кремния, который выделяется в налете, в осадке и электролите.
Электролитическое наводороживание, пробы газа, образцы, налет, осадок, чугун, цинк, железо, водород, метан, углеводороды, кремний
Короткий адрес: https://sciup.org/14992718
IDR: 14992718 | УДК: 620.193.46:546.11
Interaction of hydrogen with metal at electrolytic treatment
Experimental data on the destruction of metal and the composition of gas escaping in the course of long electrolytic hydrogenation of samples (cast iron, zinc, transformer iron) in the U-shaped test tube are obtained. Electrolyte is the distilled water acidified by sulfuric acid, voltage - 24V. Samples in volume of 400 ml were placed in glass container (bottle), the hydraulic lock was saturated solution of NaCl or distilled water. The analysis of gases was made on “KristaLyuks” type chromatograph. In the process of hydrogenation at lower ends of steel, cast iron, copper and zinc samples-cathodes branches-dendrites grow, and owing to intensive corrosive destruction (wear process) of the lower part of the cylindrical test specimen it takes the conical form, while lamellar sample - knife-like form. At interaction of hydrogen with carbon of samples methane and other hydrocarbons (ethane - hexane) are formed, which quantity and relationship depends on the quantity of carbon in samples and the composition of hydraulic lock. The composition of escaping gas testifies in favor of the “methane” theory of corrosive destruction of metals. Hydrogen actively interacts with the alloying element of transformer iron - silicon which content in hydrogenated samples decreases 1,9 times; significant amount of silicon is separated in thin coat, sediment and electrolyte therefore plasticity of iron is raised. Formation of silanes is possible. Carrying out of additional experiments with various carbonaceous steels is necessary.
Текст научной статьи Взаимодействие водорода с металлом при электролитической обработке
Известно, что увеличение содержания водорода в металлах приводит к изменению их физикохимических свойств, снижению пластичности и повышению хрупкости. Это может привести к преждевременному разрушению механизмов, агрегатов и магистральных нефтепроводов. При эксплуатации оборудования в природных условиях процесс наво- дороживания протекает в условиях коррозионного воздействия окружающей среды.При этом он зависит от многих факторов, в том числе и состава металла, и согласно «метанной» гипотезе, сопровождается выделением метана. Он образуется при взаимодействии водорода с углеродом при наводо-роживании черных металлов [1–3]. В соответствии с этими представлениями процесс наводороживания должен сопровождаться появлением метана и, воз- можно, других газов, которые при оценке количества выделяющегося объема газа в целом будут являться индикаторами скорости протекания этого процесса.
Лабораторные испытания образцов
В настоящей работе исследован процесс на-водороживания образцов различных сплавов и металлов. Проведен отбор и изечение хроматографическим методом состава выделившихся газов. Часть образцов исследована методом эмиссионной спектрометрии.
На рис. 1 показан процесс наводороживания образцов [4]. В правую часть U-образной пробирки помещался испытуемый образец, а в левую – платиновая проволочка. В пробирку наливался электролит – подкисленная серной кислотой дистиллированная вода. Испытуемый образец подключался к отрицательному полюсу выпрямителя, платиновая проволочка – к положительному полюсу. Напряжение применяемого выпрямленного постоянного тока при проведении наводораживания устанавливалось равным 12 и (или) 24В (с учетом напряжения электрооборудования транспортных машин). При этом вследствие изменения омического сопротивления цепи (прежде всего электролита), сила тока в процессе длительного наводорожива-ния изменялась (уменьшалась) от 80…100 до 3…6 mA и продолжительность отбора пробы достигала десятков (более 80) час.
Рис. 1. Схема электролитического наводорожива-ния образцов и отбора газа: 1 – образец - катод; 2 – анод (платиновая проволока); 3 – капилляр отвода газа; 4 – емкость (бутылка) для собираемого газа, заполненная гидрозатвором.
Выделявшийся из испытуемых образцов в процессе наводороживания газ через капиллярную трубочку и гидрозатвор (насыщенный раствор поваренной соли или дистиллированная вода) собирался в специальный сосуд. Путем передавливания он перепускался в хроматограф типа «Криста-Люкс», с помощью которого методом нормализации и определялся компонентный состав газа. Спектральный анализ образцов выполняли на дифракционном спектрометре ДФС-8, оборудованном анализатором атомных спектров ЦС-1 с компьютерной регистрацией эмиссионного спектра.
Испытания выполняли на чугунных образцах, вырезанных из гильзы цилиндра дизеля, а также на пластинках цинка и трансформаторного железа (состав чугуна, %: С = 3,2-3,5 (3,1 – 3,45); Si = 2,32,5(1,7 – 2,2); Mn = 0,5-0,8 (0,7 – 1,1); S≤0,12; Cr = 0,2 – 0,4 (0,1- 0,3); Ni ≥ 0,15; Cu = 0,15 – 0,4; Ti = 0,03 – 0,08; P ≤ 0,2; в скобках – допустимое содержание химических элементов).
Результаты исследований
В процессе длительного электролитического наводороживания на нижних концах стальных, чугунных, медных и цинковых образцов-катодов вырастают ветви-дендриты (рис.2). Вследствие интенсивного коррозионного разрушения (изнашивания) нижней части цилиндрического испытуемого образца он принимает конусную форму, пластинчатый образец – ножевую.
Рис. 2. Дендриты, вырастающие на чугунном катоде в процессе длительного наводороживания.
Экспериментальные исследования по изучению состава выделяющихся газов проводились в два этапа. На первом этапе отрабатывались методические вопросы. Объектами для опытов использованы образцы из чугуна и цинка. Результаты этих исследований приведены в табл.1. При наводорожи-вании первого чугунного образца были собраны выделяющиеся из испытуемого образца пробы газа.
В пробах газа, выделяющегося в процессе длительного электролитического наводороживания чугунных образцов, кроме метана, обнаружено присутствие других углеводородов от этана до гексана [4–6], что, в известной мере, подтверждает обоснованность «метанной» гипотезы разрушения материала катода, содержащего углерод. Наибольшее количество всех углеводородов С-Н (0,55 %, из них 19,3% – метан) выделяется после выключения тока и прекращения наводороживания в результате выделения газа из наводороженного материала образца (проба 2). С учетом «метанной» теории, возможно, это объясняется более длительным взаимодействием с углеродом «накачанного» в структуру металла водорода. Наименьшее содержание С-Н (0,25%, 7,6% метана) в пробе 3 образуется в процессе наводороживания при быстром (частом) выделении пузырьков газа и малом времени взаимодействия водорода с углеродом металла. При этом содержание метана уменьшилось
Таблица 1
Состав проб газа, выделяющегося при электролитическом наводороживании образцов, об. %
|
Проба Состав пробы |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6* |
5/6 |
4/3 |
|
Смесь |
После Н |
При Н |
При Н, H 2 O |
Zn |
Zn |
Соотношение проб |
||
|
Метан |
0,1264 |
0,1061 |
0,0192 |
0,1076 |
0,0276 |
0,0184 |
1,53 |
5,6 |
|
Этан |
0,0315 |
0,0333 |
0,0116 |
0,0607 |
0,0581 |
0,0065 |
8,3 |
5,2 |
|
Пропан |
0,0403 |
0,0996 |
0,0430 |
0,1561 |
0,1414 |
0,0110 |
12,9 |
3,6 |
|
Σбутаны |
0,0407 |
0,1530 |
0,0767 |
0,1947 |
0,1527 |
0,0160 |
9,5 |
2,54 |
|
Σпентаны |
0,0380 |
0,0997 |
0,0574 |
0,1079 |
0,0754 |
0,0160 |
4,7 |
1,88 |
|
Σгексаны |
0,0576 |
0,0585 |
0,0436 |
0,0584 |
0,0556 |
0,0170 |
3,3 |
1,3 |
|
Азот |
2,4164 |
4,8837 |
4,1438 |
3,3899 |
4,0370 |
0,9890 |
4,1 |
0,82 |
|
Кислород |
0,7196 |
1,0593 |
1,0869 |
1,0897 |
1,5179 |
0,8100 |
1,9 |
1,00 |
|
Углекислый газ |
2,9791 |
2,8757 |
2,6154 |
0,6562 |
3,7972 |
1,4750 |
2,6 |
0,25 |
|
Водород |
93,5503 |
90,6311 |
91,9023 |
94,1788 |
90,1371 |
96,6411 |
0,93 |
1,02 |
|
τ , ч |
8,7 |
17,75 |
8,5 |
5,9 |
17,5 |
16,3 |
1,07 |
0,69 |
|
Q, mAч |
438,9 |
- |
343,8 |
261,9 |
539,4 |
538,0 |
1,00 |
0,76 |
|
I ср , mA |
50,44 |
- |
40,44 |
44,0 |
30,8 |
35,2 |
0,88 |
1,09 |
|
Σ С-Н |
0,3345 |
0,5502 |
0,2515 |
0,6854 |
0,5708 |
0,0849 |
6,7 |
2,72 |
|
СН 4 /Σ С-Н |
37,8 |
19,3 |
7,6 |
15,7 |
5,4 |
21,6 |
0,25 |
2,06 |
Список литературы Взаимодействие водорода с металлом при электролитической обработке
- Арчаков Ю.И. Водородоустойчивость стали. М.: Металлургия, 1978. 152 с.
- Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 216 с.
- Шаповалов В.И., Трофименко В.В. Флокены и контроль водорода в стали. М.: Металлургия, 1987. 160 с.
- Латышев А.А., Суранов Г.И. Водородное разрушение металлов катода при электролитической обработке//Практика противокоррозионной защиты. 2013. № 3 (69). С.57-67.
- Гаркунов Д.Н., Суранов Ю.А., Хрусталев Ю.А. Триботехника. Водородное изнашивание деталей машин. Ухта: УГТУ, 2007. 260 с.
- Суранов Г.И. Триботехника. Повышение долговечности транспортных двигателей. : Монография. УГТУ, 2011. 335 с.
