АННОТАЦИЯ 3
Введение 4
1. Физическая и математическая постановка задачи 10
2. Метод решения 14
2.1. Уравнения теплопроводности и диффузии 14
2.2. Кинетическая задача 21
2.3. Алгоритм с вложенными сетками 22
3. Результаты 24
3.1. Проверка сходимости 24
3.2 Результаты исследования 26
Заключение 40
Список использованных источников и литературы 41
Приложение А 43
Приложение Б 44
Приложение В 53
Приложение Г 54
Коррозия определяется как физико-химическое взаимодействие материала со средой, приводящее к изменению свойств материала, среды и/или технической системы, в которую материал интегрирован (ISO 8044) [1]. Изменения, индуцированные коррозией, классифицируются как коррозионные эффекты. Коррозионное повреждение представляет собой коррозионный эффект, нарушающий функциональные характеристики материала, среды или системы. Следует отметить, что коррозия - это самопроизвольный, неконтролируемый процесс деградации материала, в отличие от контролируемых процессов, таких как травление или электрохимическое растворение. Эффективность противокоррозионных мер зависит от идентификации механизма коррозионного разрушения, оценки влияния внешних и внутренних факторов, а также адекватного выбора метода защиты. Сравнительные коррозионные испытания проводятся с использованием химических и ускоренных электрохимических методов в соответствии с международными (ISO, ASTM, DIN) и национальными (NACE, ГОСТ) стандартами.
Коррозионные исследования предполагают применение физического и математического моделирования [2]. Физическое моделирование заключается в воспроизведении коррозионного процесса в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным, что обеспечивает повышение точности результатов. Однако ограничением данного метода является сложность экстраполяции полученных данных на реальные конструкции из-за отсутствия надежных методик переноса. Математическое моделирование базируется на построении математической модели, представляющей собой систему соотношений, устанавливающих связь между характеристиками коррозии и внутренними/внешними факторами.
Определение коррозии как физико-химического взаимодействия материала и среды подразумевает зависимость коррозионного процесса от свойств металла и среды. Гетерогенная и многостадийная природа коррозии обусловлена ее протеканием на границе раздела фаз и включает стадии подвода реагентов к металлу, адсорбции активных веществ, химической реакции и удаления продуктов [3]. Термодинамическая вероятность и кинетика коррозии определяются внутренними факторами (природа металла, кристаллическая структура, фазовый состав, включения, размер зерна) и внешними факторами (состав, агрегатное состояние и температура среды, давление, механические нагрузки). В силу практически бесконечного числа комбинаций этих факторов, исследование коррозии требует индивидуального подхода с учетом специфики каждого случая, детального изучения механизма и последующей разработки эффективных методов защиты [4].
Классификация коррозионных процессов по физико-химическому характеру и коррозионной активности среды подразделяет их на химическую и электрохимическую коррозию.
Химическая коррозия представляет собой одноактное взаимодействие металла со средой, где окисление металла и восстановление окислителя происходят одновременно (например, O2 + 2Fe = 2FeO), что характерно для газовой коррозии и коррозии в органических жидкостях.
Электрохимическая коррозия отличается многостадийным механизмом, включающим ионизацию металла, перенос электронов и восстановление окислителя, причем скорости этих стадий зависят от потенциала металла. Этот процесс сопровождается током между анодными и катодными участками и типичен для растворов, расплавов, атмосферных условий, морской воды и почв.
Часто наблюдается одновременное протекание химической и электрохимической коррозии. По характеру разрушения коррозия классифицируется на равномерную (общую) и локальную (местную) [5]. Общая коррозия поражает всю поверхность равномерно или неравномерно и включает равномерную, неравномерную и избирательную коррозию (например, обесцинкование латуни) (Рис.1.). Локальная коррозия локализуется на отдельных участках и подразделяется на коррозию пятнами, язвенную, точечную (питтинговую), сквозную, нитевидную и другие виды. Питтинговая коррозия отличается от язвенной соотношением глубины и диаметра поражения. Классификация коррозии включает: газовую (высокотемпературное разрушение в газовой среде); атмосферную; жидкостную (в электролитах/неэлектролитах); подземную; водородную
(наводороживание/охрупчивание); структурную (из-за неоднородности структуры);
внешним током; блуждающими токами (постоянными/переменными); контактную
(разнородные металлы в электролите); термоконтактную (температурный градиент в электролите); щелевую; кавитационную; трение/эрозию; фреттинг-коррозию (колебательные перемещения); коррозию под напряжением (среда+напряжения); коррозионную усталость (циклические нагрузки+среда); радиационную;
микробиологическую. Классификация условна, виды коррозии могут сочетаться.
В ходе исследовательской работы разработана математическая модель, включающая уравнения теплопроводности, диффузии кислорода и кинетики реакций с учетом температурно-зависимых свойств материала. Исследования позволяют сделать следующие выводы:
Постоянный тепловой поток приводит к более высоким температурам и глубокому проникновению кислорода и коррозии. Импульсно - периодический поток снижает среднюю температуру, что ограничивает диффузию кислорода и замедляет развитие коррозии.
Коррозия изменяет теплофизические свойства материала, что также влияет на распределение температуры и дальнейшее развитие коррозии.
Изменяя параметры импульсно-периодического воздействия (время работы и паузы), можно регулировать температуру и тем самым контролировать интенсивность и глубину коррозии. Импульсный режим может быть эффективным способом снижения коррозии по сравнению с постоянным нагревом.
Работа подчеркивает сложную взаимосвязь между температурным режимом, диффузией и химическими реакциями при неизотермической коррозии.
Предложенная модель при дальнейшей верификации параметров и задании условий эксперимента может быть использована для прогнозирования срока службы материалов.
