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. %