УДК
in process
DOI
in process
Используйте это описание для цитирования:
Cite this article as:
Петровский, Д. И. Полифункциональные ингибиторы - средтво повышения коррозионной стойкости низкоуглеродистых сталей животноводческого оборудования / Д. И. Петровский, Е. А. Петровская, И. А. Посунько // Управление рисками в АПК. – 2016. – № 6. – С. 30-42.
Petrovsky DI, Petrovskaya EA, Posun'ko IA (2016) Multifunctional inhibitors - a means of improving the corrosion resistance of low carbon steel livestock equipment. Agricultural Risk Management 6:30-42.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ | TECHNICAL SCIENCES
Петровский Д.И, П етровская Е.А., Посунько И.А.
Полифункциональные ингибиторы – средство повышения коррозионной стойкости низкоуглеродистых сталей животноводческого оборудования
Петровский Дмитрий Иванович – кандидат технических наук, доцент, кафедра технического сервиса машин и оборудования, факультет технического сервиса в АПК, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва, Россия.
E-mail: dm_petrovsky@rambler.ru
SPIN-код РИНЦ: 5948-9799
Петровская Елена Андреевна – старший преподаватель, кафедра технического сервиса машин и оборудования, факультет технического сервиса в АПК, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва, Россия.
E-mail: ea-petrovskaya@rambler.ru
SPIN-код РИНЦ: 1738-1120
Посунько Иван Александрович – аспирант, кафедра материаловедения и технологии машиностроения, факультет технического сервиса в АПК, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва, Россия.
E-mail: dm_petrovsky@rambler.ru
Аннотация
Рассмотрены причины грибковой коррозии, описан принцип ее воздействия на металлы, предложен ингибитор комплексного действия для борьбы с электрохимической и биокоррозией, изучено влияние концентрации ингибитора на скорость биокоррозии низкоуглеродистой стали.
Ключевые слова
Животноводство, оборудование, микробиологическая коррозия, скорость коррозии, защита металлов, защита от грибной коррозии.
Petrovsky D. I., Petrovskaya E. A., Posun'ko I.A.
Multifunctional inhibitors - a means of improving the corrosion resistance of low carbon steel livestock equipment
Dmitry I. Petrovsky – Ph.D., Associate Professor, Department of technical service of machines and equipment, faculty of technical service in agriculture, RSAU – MAA named after K. F. Timiryazev, Moscow, Russia.E-mail: dm_petrovsky@rambler.ru
Elena A. Petrovskaya – senior teacher, Department of technical service of machines and equipment, faculty of technical service in agriculture, RSAU – MAA named after K. F. Timiryazev, Moscow, Russia.
E-mail: ea-petrovskaya@rambler.ru
Ivan A. Posun'ko – graduate student, Department of materials science and engineering technologies, Faculty of technical service in agriculture, RSAU – MAA named after K. F. Timiryazev, Moscow, Russia.
E-mail: dm_petrovsky@rambler.ru
Annotation
The reasons of fungous corrosion are discussed. Their influence on metals is described. A complex action inhibitor against electrochemical and biological corrosion is proposed and the effect of inhibitor concentration on the rate of mild steel biological corrosion is studied.
Keywords
Animal production, equipment, microbiological corrosion, corrosion rate, protection of metals, fungous corrosion protection.
Текст статьи
Повышенная коррозионная агрессивность сред животноводческих помещений приводит к ускоренному разрушению монтируемых на фермах и комплексах машин, оборудования и других металлоизделий. Это часто является основной причиной преждевременного выхода их из строя или отказов в работе. Выбывшие машины и металлоконструкции приходится заменять новыми или останавливать на длительный ремонт.
Кроме электрохимической коррозии, обусловленной газовым составом микроклимата ферм, в животноводческих помещениях имеются благоприятные условия для биологической коррозии.
Высокая влажность, присутствие в воздухе пыли органического и минерального происхождения, положительные значения температуры, отсутствие ультрафиолетовых лучей создают благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов: бактерий, плесени, грибков и др. В воздухе животноводческих помещений может находиться до 100 видов различных микроорганизмов.
Насыщенность ферм микрофлорой находится в пределах 410…730 колоний в 1 м3 воздуха. Микробное число навозных стоков составляет 5,5×106…8×107.
Наиболее опасными для возникновения коррозии металлов являются такие виды микроорганизмов, как сульфатовосстанавливающие, сероокисляющие, железистые, водородосвязующие и некоторые другие, образующие слизистые осадки на металле [3].
Из общего числа повреждений, причиняемых работающим в атмос-ферных условиях материалам и изделиям, 15 – 25% приходится на долю биологических воздействий. Что касается животноводческих помещений, то в отдельных случаях биологическая коррозия в них может оказывать такое же воздействие на оборудование, как и электрохимическая. Это требует создания полифункциональных ингибиторов коррозии, способных защитить металлические поверхности машин и оборудования от всех видов коррозии в животноводстве [2].
Скорость коррозионного разрушения находящихся в животноводческих помещениях машин и оборудования, санитарно-технических систем и стойлового ограждения зависит от агрессивности микроклимата ферм, применяемых для их изготовления металлов и проводимых мероприятий по антикоррозионной защите.
Экспертная аналитика рынка зерна: цены, логистика, урожаи, торговля. Принимайте стратегические решения на основе полных и точных данных.
Экспертная аналитика рынка зерна: цены, логистика, урожаи, торговля. Принимайте стратегические решения на основе полных и точных данных.
Параметры микроклимата животноводческих комплексов для про-мышленного ведения животноводства с высокой концентрацией скота на небольших площадях и в одном зда¬нии приведены в таблице 1 [1]. В воздухе ферм содержатся метан, меркаптаны, микрочастицы солей хлоридов. Химический состав газовой среды зависит, прежде всего, от вида животных, находящихся в помещении, способов кормления и режимов работы систем вентиляции и навозоудаления.
Таблица 1 – Параметры микроклимата различных типов животноводческих помещений
При наличии в воздухе животноводческих помещений паров воды процесс коррозии металлов происходит под невидимым слоем влаги, образующимся на поверхности в результате капиллярной, адсорбци¬онной или ионной конденсации.
Для каждого металла определено критическое значение относительной влажности (для железа – примерно 70%). При относительной влажности выше критической наблюдается резкое увеличение скорости коррозии, которая находится в определённой зависимости и от толщины слоя влаги на поверхности металла. Интенсивнее всего коррозия происходит при толщине слоя влаги 1…5 мкм.
При дальнейшем утолщении конденсированного слоя наблюдается снижение интенсивности коррозионного разрушения из-за затруднения диффузии кислорода через утолщённый слой.
Влияние фактора температуры на скорость коррозии металлов неоднозначно. Его нельзя рассматривать отдельно, в отрыве от других факторов: влажности, присутствия в микроклимате агрессивных примесей и др.
В сухом микроклимате наличие агрессивных компонентов (пыль, газообразные примеси) не оказывает существенного влияния на ход коррозионных процессов. Однако во влажной атмосфере скорость коррозии в их присутствии заметно возрастает. Так, на не защищённой от пыли поверхности образцов быстрее появлялась ржавчина, чем на закрытых образцах. Гигроскопические частицы пыли, осаждаясь на металлической поверхности, образуют микроскопические гальванопары, которые способствуют более интенсивному корродированию по сравнению с воздухом, не содержащим пыли.
Аммиак является основным веществом, вызывающим щелочную реак-цию конденсата в животноводческих помещениях. Углекислый газ, рас-творяясь в слое конденсационной плёнки на металлических поверхностях, образует угольную кислоту, которая может снижать водородный показатель и таким образом облегчать процесс водородной деполяризации.
Сероводород в соответствующих условиях превращается в сернистую или даже серную кислоту. Сам сероводород и продукты его превращения приводят к усиленному коррозионному разрушению вследствие образования серных соединений железа.
Большое влияние на скорость коррозии металлов оказывает присутствие в воздухе сернистого газа. При наличии последнего коррозионные процессы под тонкими плёнками электролита значительно ускоряются, так как сернистый газ в этих условиях проявляет себя как активатор электродных реакций. Под адсорбционными плёнками влаги в присутствии сернистого газа увеличивается скорость катодной реакции.
На скорость коррозии влияет также присутствие в воздухе микрочастиц солей, особенно солей хлоридов, 50 мг/л которых достаточно для коррозионного разрушения даже нержавеющей стали [5].
Коррозионное разрушение машин и оборудования в животноводческих помещениях происходит и при их контакте с навозом и навозными стоками, дезинфицирующими средствами, кормами и кормовыми добавками. Так, бесподстилочный навоз имеет влажность 88% и содержит 0,25…0,32% соединений фосфора, 0,48…0,67% – калия, 0,21…0,45% – кальция, 0,06…0,15% – серы, 0,04…0,17% солей хлоридов и др. Влажность навозных стоков свыше 97%, и поэтому в них содержится в 2 раза меньше соединений фосфора, калия, кальция, серы и хлоридов, чем в бесподстилочном навозе. В сенаже и силосе обнаруживаются молочная, уксусная и масляная кислоты, соединения кальция и фосфора, аммиак и другие коррозионноагрессивные компоненты [3].
К этой же группе следует относить и условия эксплуатации металлоизделий при контакте с жидкой навозной средой, влажными и полувлажными кормами, кормовыми добавками и дезинфицирующими средствами.
Развитие процесса коррозии в животноводческих помещениях при длительной эксплуатации металлоконструкций определяется не только характером микроклимата, но и свойствами образовавшихся продуктов коррозионного разрушения. Неодинаковое поведение металлов объясняется тем, что в разных условиях образуются продукты коррозии, обладающие различными свойствами. Например, торможение коррозионного разрушения после длительных сроков эксплуатации обусловлено образованием значительной толщины слоя продуктов коррозии, проявляющих защитные свойства. Их защитная способность определяется адгезией к поверхности металла, структурой кристаллической решётки, химическим составом, толщиной слоя, физико-химическими свойствами и др.
Одним из основных конструкционных материалов, применяемых для изготовления монтируемых в животноводстве металлоизделий, является низкоуглеродистая сталь. Наибольшая скорость коррозии для изделий, изготовленных из стали марки Ст. 3, наблюдается в тех животноводческих помещениях, где зафиксирована самая высокая относительная влажность (таблица 2).
Таблица 2 – Скорость коррозии изделий, изготовленных из стали марки Ст. 3 и применяемых в различных типах животноводческих помещений
Высокая влажность способствует образованию микроконденсационных плёнок влаги на металлических поверхностях, в которых растворяются компоненты микроклимата, увеличивая его коррозионную агрессивность.
Коррозия изделий в животно¬водческих помещениях протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. В ряде случаев на поверхности стали могут образовываться различной глубины питтинги.
Зависимость скорости коррозии углеродистой стали марки Ст. 3 от времени нахождения в условиях животноводческих помещений представлена на рисунке 1 [3]. На начальной стадии коррозия протекает медленно, затем её скорость резко возрастает, проходит через максимум и уменьшается по мере утолщения слоя продуктов коррозии. Это объясняется тем, что в первые месяцы наблюдений, когда происходит разрушение первичной оксидной плёнки на образцах, коррозия стали незначительна. С увеличением площади её разрушения скорость коррозии возрастает, и когда вся незащищённая оксидной плёнкой поверхность металла контактирует с агрессивными компонентами микроклимата ферм, она резко увеличивается. Экспериментально наблюдаемое торможение скорости коррозии объясняется деполяризующими свойствами продуктов коррозии и при заметном утолщении их слоя – электрохимическим экранированием активной поверхности образцов.
Рисунок 1 – Зависимость скорости коррозии углеродистой стали марки Ст. 3 от времени в различных животноводческих помещениях: 1 – в телятнике; 2 – в животноводческом комплексе; 3 – в свинарнике-маточнике
Анализ результатов исследований показывает, что динамика коррозионного разрушения оборудования в животноводческих помещениях во всех частных случаях имеет свои характерные особенности. Хотя скорость коррозии изделий во всех помещениях функционально изменяется во времени в сторону увеличения, прирост коррозионного разрушения по величине различный (рисунок 2).
Рисунок 2 – Прирост скорости коррозии углеродистой стали марки Ст. 3 в животноводческих помещениях: 1 – в животноводческом комплексе; 2 – в телятнике; 3 – в свинарнике-маточнике; 4 – в птичнике
Вначале прирост коррозии протекает с меньшей скоростью, затем возрастает и к концу наблюдения несколько замедляется. На металл действует комплекс факторов, и выявить функциональную зависимость скорости коррозии от каждого из них в естественных условиях практически невозможно. Сложность заключается в том, что в естественных условиях параметры микроклимата (температура, скорость перемещения и др.) изменяются в больших пределах в незначительных интервалах времени.
Для борьбы с биокоррозией используются обычные ингибиторы с добавлением в них фунгицидных препаратов [4]. В работе предлагается разработанный препарат, обладающий одновременно и антикоррозионными и фунгицидными свойствами.
Объектами исследуемых металлов были выбраны образцы низ-коуглеродистых сталей Ст. 3 и Ст. 10. Подготовку металлов проводили по стандартным методикам. Предварительно подготовленные металлические образцы помещали в газон мицелиальных грибов и выдерживали при температуре +25°С и влажности 90% в течение 20 суток. В аналогичных условиях выдерживали и образцы стали, обработанные ингибитором, представляющим смесь тритерпеновых кислот и липидов, получаемых из растительного сырья [6].
Контроль проводился на образцах сталей Ст. 3 и Ст. 10, выдерживаемых в стерильной среде, не заражённой спорами грибов и не обработанных ингибитором. Скорость коррозии стали V в ходе исследований определялась под действием музейного штамма Aspergillus niger.
Оценку эффективности ингибитора проводили с помощью коэффициента торможения коррозии Y (ингибиторный эффект) и степени защиты Z (защитный эффект).
Коэффициент торможения показывает, во сколько раз уменьшается скорость коррозии в результате действия ингибитора:
Y=K/Ki,
где К и Ki — скорость растворения металла в среде без ингибитора и с ингибитором соответственно, кг/(м2·ч).
Степень защиты Z рассчитывали по формуле
Z=[(K-Ki)/K]·100, %.
При полной защите коэффициент Z равен 100 %.
Результаты выполненных исследований приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Влияние концентрации ингибитора на процесс биокоррозии стали
Скорость коррозии контрольных образцов составляла 3,32×10-5 и 3,11×10-5 кг/(м2·ч) для Ст. 3 и Ст. 10 соответственно.
Под воздействием Aspergillus niger следы коррозии на образцах стали, необработанных ингибитором, появлялись на вторые- третьи сутки в виде мутного налёта, при этом скорость коррозии возрастала более чем в 50 раз. Обработка стали раствором ингибитора в значительной степени снижала данный процесс. При концентрации ингибитора до 1 г/л скорость коррозии снижалась медленно и не сильно отличалась от скорости коррозии без ингибитора.
Защитные свойства ингибитора проявляются при концентрации более 1 г/л, а при концентрации 2 г/л ингибитор полностью подавляет рост грибов на металле и скорость коррозии становится меньше, чем в стерильных условиях.
Таким образом, результаты выполненных исследований показали, что использование ингибиторов, получаемых из растительного сырья, позволяет повысить защитный эффект конструкционных материалов до 98% в условиях воздействия биологических факторов.
Источники:
1. Гайдар С.М. Защита сельскохозяйственной техники от коррозии и износа с применением нанотехнологий: дисс. … докт. техн. наук. М., 2011.
2. Гайдар С.М. Ингибированные составы для хранения сельскохозяйственной техники // Техника в сельском хозяйстве. 2011. № 3. С. 21-22.
3. Гайдар С.М., Свечников В.Н., Усманов А.Ю., Иванов М.И. Использование наноматериалов в качестве присадок к маслам для уменьшения трения в трибосопряжениях // Техника и оборудование для села. 2013. № 1 (187). С. 35-37.
4. Гайдар С.М. Теория и практика создания средств защиты от коррозии сельскохозяйственной техники: монография. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2011. 500 с.
5. Гайдар С.М., Низамов Р.К., Гурьянов С.А. Теория и практика создания ингибиторов атмосферной коррозии // Техника и оборудование для села. 2012. № 4. С. 8-10.
6. Кузнецова Е.Г., Прохоренков В.Д., Князева Л.Г., Петрашев А.И., Гайдар С.М. Защитная эффективность водорастворимых ингибиторов коррозии при консервации сельскохозяйственной техники // Техника в сельском хозяйстве. 2012. № 6. С. 23-25.
7. Пучин Е.А., Гайдар С.М. Хранение и противокоррозионная защита сельскохозяйственной техники: учеб. пособие для студентов высших учебных заведений. М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2011. 510 с.
References:
1. Gaydar S.M. Zashchita sel'skokhozyaystvennoy tekhniki ot korrozii i iznosa s primeneniyem nanotekhnologiy: diss. … dokt. tekhn. nauk. Moscow, 2011.
2. Gaydar S.M. Ingibirovannyye sostavy dlya khraneniya sel'skokhozyaystvennoy tekhniki // Tekhnika v sel'skom khozyaystve. 2011. № 3. Pp. 21-22.
3. Gaydar S.M., Svechnikov V.N., Usmanov A.YU., Ivanov M.I. Ispol'zovaniye nanomaterialov v kachestve prisadok k maslam dlya umen'sheniya treniya v tribosopryazheniyakh // Tekhnika i oborudovaniye dlya sela. 2013. № 1 (187). Pp. 35-37.
4. Gaydar S.M. Teoriya i praktika sozdaniya sredstv zashchity ot korrozii sel'skokhozyaystvennoy tekhniki: monografiya. M.: FGNU «Rosinformagrotekh», 2011. 500 p.
5. Gaydar S.M., Nizamov R.K., Gur'yanov S.A. Teoriya i praktika sozdaniya ingibitorov atmosfernoy korrozii // Tekhnika i oborudovaniye dlya sela. 2012. № 4. Pp. 8-10.
6. Kuznetsova Ye.G., Prokhorenkov V.D., Knyazeva L.G., Petrashev A.I., Gaydar S.M. Zashchitnaya effektivnost' vodorastvorimykh ingibitorov korrozii pri konservatsii sel'skokhozyaystvennoy tekhniki // Tekhnika v sel'skom khozyaystve. 2012. № 6. Pp. 23-25.
7. Puchin Ye.A., Gaydar S.M. Khraneniye i protivokorrozionnaya zashchita sel'skokhozyaystvennoy tekhniki: ucheb. posobiye dlya studentov vysshikh uchebnykh zavedeniy. M.: FGOU VPO MGAU, 2011. 510 p.
Все иллюстрации статьи | All visuals of paper