Моніторинг та управління наводнюванням металів у електрохімічних процесах

З метою опрацювання методики моделювання систем з перебігом фарадеївських реакцій нами було проведено моделювання електрохімічних реакцій самодовільного розчинення легованих сталей у агресивних середовищах. Вибір такої системи обумовлено її значною практичною значущістю та наявністю великої кількості табульованих величин швидкості електрохімічної реакції в залежності від складу середовища та конструкційного матеріалу. Для прогнозування швидкості корозії була побудована мережа на основі п'ятишарового персептрону, яка була навчена за результатами випробувань біля 50 марок нержавіючих сталей вітчизняного виробництва. Тестування нейронної мережі показало тотожність прогнозних оцінок експериментальному масиву даних. Побудована і навчена мережа для прогнозування корозійної стійкості легованих сталей за своїми функціональними можливостями значно перевершує застосування так званого “індекса легування”, який встановлює взаємозв'язок між вмістом легуючих елементів (не більш 5 елементів) і швидкістю руйнування. На відміну від “індексу легування”, наведена мережа дозволяє з високою точністю оцінювати електрохімічну поведінку легованих сталей з одночасним урахуванням впливу до 20 легуючих елементів і умов експлуатації.

Позитивні результати прогнозування довели доцільність застосування штучних нейронних мереж до складних електрохімічних систем, тому було побудовано мережі для прогнозування властивостей СМВ за гратковим ( ) та ефективним (DH) коефіцієнтами дифузії водню в металі та приповерхневій концентрації поглинутого водню (СH). До вхідних параметрів, які враховували розроблені мережі, було віднесено: елементний склад сталі, температура попередньої обробки сталі та в умовах експлуатації, режими електролізу, кислотність та присутність у розчині ПАР, стимуляторів та фракцій, що утворюють емульсії. Після навчання мереж за результатами виконаних у даній роботі електрохімічних вимірів було проведено прогнозування зазначених змінних, результати якого виявили тотожність експериментально встановленим (рис. 5). Це, на наш погляд, підтвердило працездатність побудованих мереж та дозволило оцінити можливі шляхи керування абсорбцією водню металами. При цьому для всіх розроблених мереж існує можливість їх розвитку, тобто модернізація за рахунок введення додаткових чинників з наступним навчанням для підвищення точності прогнозних оцінок.

Сьомий розділ присвячено розробці та тестуванню нової конструкції електрохімічного датчика визначення кількості дифузійно-рухливого водню в металі.

Для безперервного моніторингу СМВ було запропоновано конструкцію безмембранного електрохімічного датчика визначення кількості дифузійно-рухливого водню в металі, що забезпечило підвищення точності і достовірності вимірів потоку водню в металах. Досягнуто зниження вартості електрохімічного датчика за рахунок виключення з його конструкції коштовних металів.

З використанням допоміжного електрода з промислового сплаву Zr-Nb (вміст Nb до 1, 5%) на контрольованій металевій поверхні в контакті з електролітом підтримується потенціал, необхідний для іонізації водню, що дифундує скрізь стінку контрольованого об'єкта. При іонізації атомарного водню в ланцюзі “контрольована поверхня – допоміжний електрод” виникає струм, що є кількісною мірою потоку водню, який проходить крізь метал. Для виміру струму в електричний ланцюг введено електричний опір, що дозволяє використовувати як вихідний сигнал падіння напруги. Це істотно спрощує організацію системи моніторингу, дозволяючи реалізувати її на базі одного вольтметра і n-ої кількості датчиків. Ресурсні випробування показали, що запропонований електрохімічний датчик дозволив вимірювати потік наскрізного водню через сталь 20 з точністю до 1•10-11 м3/м2•с. Достовірність отриманих з використанням датчика результатів було підтверджено порівняльним аналізом з результатами незалежних методів досліджень (методом ЕДМВ та волюмометрією).

Сферою застосування електрохімічного датчика може бути контроль стану устаткування в нафтогазовій та хімічній промисловості.

У додатках наведено акт використання результатів дисертаційної роботи в Донецькому державному науково-дослідному та проектному інституті кольорових металів “ДонНДПІКМ” та висновок про видачу деклараційного патенту на винахід України “Пристрій для визначення кількості дифузійно-рухливого водню в металі”.

 

 

1. На підставі розвитку теоретичних уявлень про електрохімічне наводнювання металів запропоновано технологічні засоби керування процесом впровадження водню в електродні та конструкційні матеріали, створено прогнозні моделі для оцінки стану системи метал-водень, які дозволяють цілеспрямовано підходити до її управління, та розроблено електрохімічний сенсор дифузійно-рухливого водню в металах для моніторингу стану означеної системи.

2. Для управління потоком поглинутого електролітичного водню у вуглецевих та легованих сталях у водних та емульсійних середовищах запропоновано ряд азот- та фосфорвмісних гетерокарбонових кислот, які задовольняють екологічним вимогам і можуть бути використані як високоефективні інгібітори або стимулятори електрохімічного наводнювання металів.

3. Вперше визначено ступінчасті константи іонізації 2-фосфонобутан-1, 2, 4-трикарбоксильної кислоти та константи нестійкості комплексів Fe2+, Ni2+ та Cu2+ з N- (фосфонометил) -імінодиоцтовою та 2-фосфонобутан-1, 2, 4-трикарбоксильною кислотами, застосовані для оцінки імовірності комплексоутворення та його впливу на швидкість самодовільних фарадеївських реакцій в технологічних середовищах.

4. Поляризаційними вимірами та імпедансною спектроскопією встановлено, що азот- та фосфорвмісні гетерокарбонові кислоти у діапазоні концентрацій до 20 ppm різко знижуючи ступінь електрохімічного наводнювання металу, істотно не впливають на агресивність середовищ та швидкість самодовільних реакцій при локальному руйнуванні металу.

5. Запропоновано механізм каталітичного стимулювання наводнювання сталевого електроду оксидом миш'яку (III) та виявлено ефект синергізму наводнювання в присутності N- (фосфонометил) -імінодиоцтової кислоти, що дозволило рекомендувати зазначену композицію для застосування у водневій мембранній технології для електрохімічного синтезу водню високої чистоти.

6. Науково обгрунтовано топологічні моделі систем метал-водень та