СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТОЙКОСТИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ К КАТОДНОМУ ОТСЛАИВАНИЮ И ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01N19/04 

Изобретение относится к способам определения стойкости к катодному отслаиванию полимерных изоляционных покрытий изделий из электропроводящих материалов, эксплуатируемых в условиях электрохимического наводороживания, в частности при воздействии катодной поляризации, и может быть использовано при выборе защитного полимерного покрытия труб, оборудования, в том числе используемых в нефтегазовой промышленности.

Известны способы определения стойкости полимерного покрытия к отслаиванию от защищаемого им металла в минерализованной водной среде при воздействии катодной поляризации (SU №834464, кл. G 01 N 19/04, 1978; SU №1146582, кл. G 01 N 17/002, 1982; ГОСТ Р 51164 - 98, стандарт DIN 30670 (Германия), стандарт DIN 30671 (Германия), стандарт NFA 49710 (Франция), включающие изготовление образца из электропроводящего материала с изоляционным полимерным покрытием, выполнение сквозного отверстия в полимерном покрытии (до оголения подложки), размещение электролитической ячейки на поверхности покрытия в зоне отверстия, прикладывание напряжения к электроду, расположенному в электролите, и подложке, выдержку образца под напряжением в течение определенного времени, механическое удаление покрытия с подложки и определение площади отслоившегося при катодной поляризации покрытия, по величине которой судят о стойкости покрытия к катодному отслаиванию.

Данные способы позволяют провести сравнительную оценку стойкости различных полимерных покрытий отслаиванию при катодной поляризации, хотя получаемые результаты не всегда достаточно определены из-за большой погрешности, допускаемой при определении поверхности отслаивания и подсчете ее площади, обусловленной трудностью удаления отслаивающегося покрытия от подложки, но существенным их недостатком является невозможность оценки срока службы полимерного покрытия в электропроводящей среде в условиях электрохимического наводораживания, в том числе при воздействии катодной поляризации.

Наиболее близким к заявленным изобретениям по технической сущности является способ определения стойкости изоляционных покрытий к катодному отслаиванию (SU №1293579, кл. G 01 N 19/04, 1985), включающий изготовление образца из электропроводящей металлической подложки в виде пластины с изоляционным полимерным покрытием, выполнение сквозного отверстия в полимерном покрытии (до оголения металла), размещение электролитической ячейки на поверхности покрытия в зоне отверстия, прикладывание напряжения к электроду, расположенному в электролитической ячейке, и подложке, выдержку образца под напряжением в течение определенного времени, удаление электролитической ячейки и нагрев полимерного покрытия до температуры, превышающей температуру размягчения полимера не более чем на 15°С, механическое удаление покрытия с подложки и определение площади отслоившегося при катодной поляризации покрытия, по величине которой судят о стойкости покрытия к катодному отслаиванию.

Данный способ позволяет обеспечить легкое механическое удаление покрытия с места отслоения, более четко определить границы поверхности, на которой произошло отслоение покрытия, повысить точность определения площади отслаивания и тем самым повысить точность определения стойкости покрытия к катодному отслаиванию.

Однако и данный способ, как и приведенные выше, не позволяет определить временной ресурс эксплуатации полимерного покрытия в условиях электрохимического наводороживания, в том числе в условиях воздействия катодной поляризации.

Задачей заявленных изобретений является создание эффективного способа прогнозирования срока службы металлических изделий с изоляционным полимерным покрытием в условиях воздействия катодной поляризации путем анализа кинетики изменения удельного усилия отрыва покрытия от подложки в этих условиях.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения стойкости изоляционного полимерного покрытия к катодному отслаиванию, включающем изготовление образца из электропроводящей металлической подложки в виде пластины с изоляционным полимерным покрытием, нанесение сквозного дефекта в полимерном покрытии, катодную поляризацию образца при заданных параметрах тока в течение определенного времени, согласно изобретению готовят два идентичных образца, в покрытиях образцов выполняют сквозной дефект путем выделения участка покрытия, вокруг которого прорезают канавку на всю глубину полимерного слоя до оголения металлической подложки, на выделенном участке покрытия каждого образца устанавливают электролитическую ячейку с условием перекрытия электродом, входящим в состав ячейки, канавки по всей ее ширине и осуществляют катодную поляризацию образцов в течение заданного времени соответственно одного образца - τ₁ и второго - τ₂, при заданной температуре, после чего определяют удельное усилие отрыва покрытия на выделенном участке от подложки соответственно σ(τ₁) и σ(τ₂), причем величины τ₁ и τ₂ задают только при установившемся адгезионном характере разрушения покрытия при отрыве (отслаивание от металла), после чего вычисляют время снижения прочности сцепления покрытия с подложкой до минимально допустимой величины или до полного его отслаивания по следующей формуле

где τ - время снижения прочности сцепления покрытия с подложкой до минимально допустимой величины при заданной температуре, τ=τ_пр при σ_доп=0, с;

τ₀ - период свободных колебаний атомов, τ₀=10^-12 c;

σ_к - максимально возможное удельное усилие отрыва покрытия от металла при адгезионном характере разрушения в модельной среде, т.е. критическая прочность, МПа;

γ - структурно-чувствительный коэффициент, Дж/МПа·моль;

σ_доп - заранее устанавливаемая допустимая минимальная прочность сцепления покрытия с металлом;

R - газовая постоянная, Дж/(моль К);

Т - абсолютная температура, К;

с последующим сравнением полученного значения времени с планируемым сроком службы покрытия в рассматриваемых условиях;

а также тем, что образец для осуществления способа определения стойкости изоляционного полимерного покрытия к катодному отслаиванию, представляющий собой пластину из электропроводящей металлической подложки с изоляционным полимерным покрытием, на поверхности которого нанесен сквозной дефект, согласно изобретению сквозной дефект представляет собой канавку вокруг выделенного участка покрытия, прорезанную до оголения металлической подложки.

Сущность изобретения заключается в следующем.

На образце в виде металлической пластины 1 с изоляционным полимерным покрытием, выделяют участок, желательно, площадью не менее 200 мм² (для устранения влияния краевого эффекта на результат испытаний), вокруг которого прорезают канавку на всю глубину полимерного слоя до оголения металла (фиг.1). Форма канавки и ее ширина не лимитируются. На плоскость покрытия в месте выделенного участка устанавливают электролитическую ячейку (фиг.2), состоящую из рабочей камеры 2, электрода сравнения стандартного 3, анодного электрода 4, фланцев 9, держателя электродов 10. Образец 1 подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока.

Размеры анодного электрода 4 выбирают исходя из условия перекрытия канавки вокруг выделенного участка покрытия по всей ее ширине. Анодный электрод 4 соединяют последовательно с эталонным сопротивлением 6, реостатом 7 и положительным полюсом источника постоянного тока. Вольтметр 5 подключают параллельно эталонному сопротивлению 6. Управляя реостатом 7, устанавливают по показателям вольтметра 8 требуемый потенциал на образце. Далее вольтметр 8 отключают и фиксируют время начала испытаний при заданной температуре. Заданную температуру обеспечивают установкой образца с рабочей камерой на нагревательную электроплиту 11.

После выдержки образца в модельной среде, являющейся электролитом, при действии катодной поляризации на базе времени τ₁ определяют удельное усилие отрыва полимерного покрытия от электропроводящей металлической подложки σ(τ₁) при той же температуре, при которой проводилась выдержка в модельной среде, и характер разрушения при отрыве, т.е. когезионный (по материалу покрытия), адгезионный (отслаивание от электропроводящей металлической подложки или межслойное расслаивание) или смешанный (частично когезионное и частично адгезионное разрушение). Испытывают аналогичный образец в тех же условиях на базе времени τ₂, после чего определяют удельное усилие отрыва σ(τ₂) и характер разрушения при отрыве при той же температуре, при которой проводилась выдержка в модельной среде.

Если характер разрушения покрытия при отрыве после испытаний на базах времени τ₁ и τ₂ существенно изменяется, т.е. после первого этапа испытаний разрушение при отрыве имеет когезионный характер, а после второго - адгезионный, то база времени первого этапа испытаний τ₁ была недостаточной для стабилизации механизма разрушения покрытия в указанных условиях и объективной оценки кинетики изменения адгезионной прочности покрытия. В этом случае базу времени τ₂ принимают за τ₁, а продолжительность второго этапа испытаний, соответственно, увеличивают.

Проведенные нами исследования показали, что кинетика изменения адгезионной прочности покрытия при нормальном отрыве от металла в различных средах описывается уравнением

где τ_пр - время до отслаивания покрытия от металла в модельной среде при заданной температуре, т.е. когда усилие отрыва равно нулю, с;

На основании полученных экспериментальных данных составляется система уравнений

Разделив первое уравнение на второе и обозначив через "к" отношение σ(τ₁)/σ(τ₂), получим выражение для нахождения времени до полного отслаивания τ_пр покрытия в модельной среде при заданной температуре испытаний.

Подставив найденное значение τ_пр в уравнение (1), получим выражение для нахождения σ_к.

При известных значениях τ_пр и σ_к может быть найдено значение γ (структурно-чувствительного коэффициента) из уравнения, описывающего температурно-временную зависимость прочности твердых тел

Преобразовав уравнение (5) относительно γ, получим

Для прогнозирования времени τ снижения прочности сцепления покрытия с металлической подложкой до минимально допустимой величины или времени τ_пр до полного отслаивания используется уравнение (7) с последующим сравнением полученного значения времени с планируемым сроком службы покрытия в рассматриваемых условиях.

При σ_доп=0 τ=τ_пр и уравнение (7) принимает вид выражения (5).

Правомерность расчета экспериментально проверена на ряде металлических изделий с различными изоляционными полимерными покрытиями.

Пример. Определяли время до отслаивания двухслойного эпоксидного покрытия, состоящего из грунтовочного и покрывного слоя при катодной поляризации в среде, являющейся электролитом. В качестве модельной среды использовали 3-х процентный раствор NaCl. Толщина покрытия 600 мкм. Температура модельной среды Т=293 К. Потенциал, устанавливаемый на образцах, U=1,5 B. Образцы выдерживали в модельной среде при действии катодной поляризации соответственно в течение τ₁=4 суток и τ₂=34 суток. Затем определяли удельное усилие отрыва покрытия от металла σ(τ₁)=7,45 МПа и σ(τ₂)=1 МПа, характер разрушения при отрыве - адгезионный. Из уравнения (5) нашли время до полного отслаивания покрытия τ_пр=46 суток.

Полученные данные сопоставляются с планируемым сроком службы покрытия и делается заключение о его пригодности.

Использование: при определении стойкости к катодному отслаиванию полимерных изоляционных покрытий изделий из электропроводящих материалов, эксплуатируемых в условиях электрохимического наводороживания, и может быть использовано, в частности, при выборе защитного полимерного покрытия труб, оборудования, используемого в нефтегазовой промышленности. Сущность: способ включает изготовление двух идентичных образцов из электропроводящей подложки с изоляционным полимерным покрытием. В полимерном покрытии выполняют сквозной дефект путем выделения участка покрытия, вокруг которого прорезают канавку на всю глубину полимерного слоя до оголения подложки. На выделенном участке покрытия каждого образца устанавливают электролитическую ячейку с условием перекрытия анодным электродом, входящим в состав ячейки, канавки по всей ее ширине и осуществляют катодную поляризацию образцов в течение заданного времени соответственно одного образца - τ1 и второго - τ2, при заданной температуре. Определяют удельное усилие отрыва покрытия на выделенном участке от подложки соответственно σ(τ1) и σ(τ2), причем величины τ1 и τ2 задают только при установившемся адгезионном характере разрушения покрытия при отрыве (отслаивание от металла), после чего вычисляют время снижения прочности сцепления покрытия с подложкой до минимально допустимой величины или до полного его отслаивания в соответствии с расчетной формулой, а затем делают вывод о целесообразности применения данного покрытия. Технический результат изобретения заключается в возможности прогнозирования срока службы металлических изделий с изоляционным полимерным покрытием в условиях воздействия катодной поляризации. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения стойкости изоляционного полимерного покрытия к катодному отслаиванию, включающий изготовление образца из электропроводящей металлической подложки в виде пластины с изоляционным полимерным покрытием, нанесение сквозного дефекта в полимерном покрытии, катодную поляризацию образца при заданных параметрах тока в течение определенного времени, отличающийся тем, что готовят два идентичных образца, в покрытиях образцов выполняют сквозной дефект путем выделения участка покрытия, вокруг которого прорезают канавку на всю глубину полимерного слоя до оголения электропроводящей металлической подложки, на выделенном участке покрытия каждого образца устанавливают электролитическую ячейку с условием перекрытия анодным электродом, входящим в состав ячейки, канавки по всей ее ширине и осуществляют катодную поляризацию образцов в течение заданного времени соответственно одного образца - τ₁ и второго - τ₂ при заданной температуре, после чего определяют удельное усилие отрыва покрытия на выделенном участке от электропроводящей металлической подложки соответственно σ(τ₁) и σ(τ₂), причем величины τ₁ и τ₂ задают при установившемся адгезионном характере разрушения покрытия при отрыве, после чего вычисляют время снижения прочности сцепления покрытия с подложкой до минимально допустимой величины или до полного его отслаивания по следующей формуле:

где τ - время снижения прочности сцепления покрытия с подложкой до минимально допустимой величины при заданной температуре, τ=τ_пр при σ_доп=0, с;

τ₀ - период свободных колебаний атомов, τ₀=10^-12 с;

σ_к - максимально возможное удельное усилие отрыва покрытия от металла при адгезионном характере разрушения в модельной среде, т.е. критическая прочность, МПа;

γ - структурно-чувствительный коэффициент, Дж/МПа·моль;

σ_доп - заранее устанавливаемая допустимая минимальная прочность сцепления покрытия с металлом;

R - газовая постоянная, Дж/(моль К);

Т - абсолютная температура, К.