Piotr BARSZCZ Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 30, s. 5 23, 2012 r. DOI 10.2478/v10041-012-0001-5 BADANIA KOROZJI ATMOSFERYCZNEJ Z WYKORZYSTANIEM STAŁYCH STACJI KOROZYJNYCH Terenowe badania korozji atmosferycznej [8, 14, 15] są to badania prowadzone w atmosferze ziemskiej w temperaturze otoczenia w celu określenia: odporności na korozję metalu, zanieczyszczenia środowiska produktami korozji, skuteczności ochrony przed korozją lub korozyjności środowiska [10, 12]. Przedmiotem prac zwiększających resurs statków powietrznych oraz ich eksploatację wg stanu technicznego są m.in. badania korozji w naturalnych warunkach atmosferycznych na podstawie wystawiania próbek materiałów i poddawania ich okresowym obserwacjom oraz oznaczania w ustalonych odstępach czasu wielkości ubytków korozyjnych, ich postaci i wyglądu oraz zmian własności fizycznych [4]. Wynikami badań są pomiary ciężaru i grubości próbek korozyjnych, zdjęcia powierzchni próbek przed wystawieniem ich na oddziaływanie warunków atmosferycznych, po zdjęciu ze stacji korozyjnej i po usunięciu produktów korozji. W oparciu o dane uzyskane podczas prowadzenia badań korozyjnych oblicza się wskaźniki charakteryzujące proces korozyjny przebiegający w rejonie wystawienia stałej stacji korozyjnej. Wskaźniki te zaczerpnięto z obowiązujących na świecie i w Polsce norm [5, 6, 9, 11], jak również opracowano w oparciu o doświadczenia własne (tablica 3). W czasie wykonywania badań monitorowane są również warunki atmosferyczne panujące na obszarze, gdzie wystawiono próbki korozyjne [4]. Dane dotyczące warunków atmosferycznych uzyskuje się z Centrum Hydrometrologii Sił Zbrojnych RP oraz wykorzystuje się dane zamieszczone w Internecie przez Inspektorat Ochrony Środowiska. Dane charakteryzujące warunki atmosferyczne umożliwiają poszukiwanie korelacji pomiędzy wartościami charakteryzującymi proces korozyjny a warunkami meteorologicznymi. Słowa kluczowe: terenowe badania korozji, stacja korozyjna, badania korozji atmosferycznej, korozyjność atmosfery, próbki korozyjne, próbki wzorcowe, system zarządzania, stopień skorodowania, intensywność korodowania, stopień odporności korozyjnej, stopień korozji, wskaźnik usuwania produktów korozji.
6 Piotr BARSZCZ 1. Wprowadzenie Korozja atmosferyczna jest procesem, który zachodzi w warstwie wilgoci na powierzchni metalu. Warstwa wilgoci może być tak cienka, że jest niewidoczna dla nieuzbrojonego oka [1, 2]. Na przebieg i szybkość korozji atmosferycznej mają wpływ: temperatura, wilgotność względna powietrza, opady atmosferyczne, nasłonecznienie, kierunek i siła wiatrów, występowanie kondensacji (gdy temperatura powierzchni jest równa lub jest poniżej punktu rosy), zanieczyszczenia w atmosferze (zanieczyszczenia korozyjne mogą reagować ze stalą i mogą tworzyć osady na powierzchni), narażenia mechaniczne. Doświadczenie wskazuje, że znacząca korozja ma zwykle miejsce, gdy wilgotność względna powietrza jest poniżej 80%, a temperatura powyżej 0 C. Jednakże, w obecności zanieczyszczeń lub higroskopijnych soli korozja ma miejsce przy znacznie niższym poziomie wilgotności. W celu scharakteryzowania procesów korozyjnych zachodzących w rejonach bazowania statków powietrznych, postawiono tam stacje korozyjne (rys. 1, czerwone chorągiewki). Rys. 1. Rejony Polski, gdzie postawiono i planuje się postawić stałe stacje korozyjne
Badania korozji atmosferycznej z wykorzystaniem stałych stacji korozyjnych 7 Są to miejscowości: Warszawa ITWL, Mińsk Mazowiecki, Kraków, Powidz, Malbork, Świdwin, Mirosławiec, Poznań, Łask, Babie Doły, Darłowo. Planuje się postawić stacje korozyjne również w: Siemierowicach, Pruszczu Gdańskim, Bydgoszczy, Inowrocławiu, Leźnicy Wielkiej, Nowym Glinniku, Dęblinie, Radomiu, Warszawie Spec Pułk, Wrocławiu (rys. 1, zielone chorągiewki). Stacje korozyjne są to specjalnie ogrodzone miejsca (celem zabezpieczenia badanych obiektów przed zniszczeniem), w których na specjalnych ramach wystawiane są próbki korozyjne. W pobliżu ram nie ma żadnych obiektów ekranujących badane próbki przed działaniem czynników atmosferycznych. Ramy zabezpiecza się przez przymocowanie ich podstaw kołkami rozporowymi do betonowych wylewek. Wylewki wykonuje się w celu unieruchomienia podstaw i ograniczenia wpływu roślin na badane próbki. Jeżeli w pobliżu występują wyższe rośliny, należy je usuwać lub ścinać do wysokości 0,2 m. Przed zmianami położenia badane próbki zabezpieczają specjalne uchwyty do ich mocowania. Położenie stacji badań korozji atmosferycznej umożliwia dokonywanie okresowych obserwacji próbek [3, 8, 15, 20, 21]. Na rys. 2 przedstawiono przykładowo stacje korozyjne w Mińsku Mazowieckim i w Mirosławcu. Próbki są przygotowywane do wyłożenia na stacje korozyjne poprzez usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni zewnętrznej metodą strumieniowo-ścierną [25, 26], tą też metodą są usuwane produkty korozji. Problemem do oszacowania w tej metodzie jest moment, kiedy powinno się zaprzestać usuwania warstwy wierzchniej. W celu uchwycenia momentu, do którego powinno się usuwać wara) b) Rys. 2. Stacje korozyjne postawione w Mińsku Mazowieckim (a) i w Mirosławcu (b) [4] 2. Przygotowanie próbek do badań oraz usuwanie produktów korozji
8 Piotr BARSZCZ stwę przypowierzchniową wykonuje się zdjęcia obu stron próbek przed wyłożeniem na stację korozyjną, po zdjęciu i po usunięciu produktów korozji. Dla właściwej realizacji kolejnych etapów wprowadzono wskaźnik S npe (tablica 3) charakteryzujący stopień przygotowania powierzchni próbek przed wystawieniem ich na stację korozyjną, stopień usunięcia produktów korozji S nu oraz wskaźnik usuwania produktów korozji W uk [19]. Podczas wykonywania badań korozyjnych należy postępować systemowo, zgodnie z zaleceniami zawartymi w tablicy 1. Tablica 1 Opis podstawowych czynności realizowanych podczas badań korozji atmosferycznej z wykorzystaniem próbek korozyjnych Oznaczenie czynności 1 2 3 4 5 6 7 8 Wykonywana czynność Dostarczenie lub zakup blach wykonanych ze stali węglowej, cynku, miedzi i aluminium o składzie określonym w metodyce badawczej Nr MB- 4/31/2009, punkt 5 do wykonania próbek wzorcowych w celu przeprowadzenia oceny korozyjności atmosfery oraz wykonanych z materiałów określonych przez klienta (materiały stosowane na elementy konstrukcji SP). Przygotowanie po trzy próbki ze stali węglowej, cynku, miedzi i aluminium oraz z określonych materiałów o wymiarach 50 100 g mm, gdzie 1 g 3 mm. Oznakowanie próbek zgodnie z zaleceniami zawartymi w procedurze Nr PB-8/31/2009, punkt 6.2. Usunięcie z próbek zanieczyszczeń metodą strumieniowo-ścierną zgodnie z postanowieniami określonymi w punkcie 6.3 instrukcji wewnętrznej Nr IW-31-08-06 dotyczącej Usuwania produktów korozji metodą strumieniowo-ścierną. Wykonanie zdjęć strony czołowej i tylnej poszczególnych próbek z wykorzystaniem przystosowanego do tej czynności stanowiska zgodnie z postanowieniami zawartymi w instrukcji wewnętrznej Nr IW-31-08-05. Pomiar grubości próbek zgodnie z zaleceniami zawartymi w instrukcji wewnętrznej Nr IW-31-08-02. Pomiary grubości wykonywać nadzorowanymi metrologicznie mikrometrami elektronicznymi. Ważenie próbek zgodnie z instrukcją wewnętrzną Nr IW-31-08-01 dotyczącą Pomiaru mas próbek w celu określenia ubytków korozyjnych. Proces ważenia prowadzić z wykorzystaniem nadzorowanych wag. Zapisanie wyników pomiarów ważenia próbek do formularzy Nr MB-4/31/2009-2 i Nr MB-5/31/2009-2, wyników pomiarów grubości próbek do formularzy Nr MB-4/31/2009-3 i MB-5/31/2009-3.
Badania korozji atmosferycznej z wykorzystaniem stałych stacji korozyjnych 9 9 10 11 Uzupełnienie zapisów w dokumentacji dotyczącej określonej stacji korozyjnej, wpisując określone dane zgodnie z wytycznymi zawartymi w formularzach Nr PB-8/31/2009-1 i Nr PB-8/31/2009-2. Przemycie próbek rozpuszczalnikiem organicznym lub odtłuszczającymi cieczami alkalicznymi. Umieszczenie próbek korozyjnych w torebkach strunowych w celu zabezpieczenia przed zanieczyszczeniem ich powierzchni i ograniczenia wpływu warunków atmosferycznych. 12 Transport próbek korozyjnych na miejsce lub z miejsca ekspozycji. 13 Zdjęcie próbek z ramy po rocznym wystawieniu na stacji korozyjnej. 14 Umieszczenie nowych próbek korozyjnych na ramie. 15 16 Usuwanie produktów korozji metodą chemiczną zgodnie z postanowieniami zawartymi w instrukcji wewnętrznej Nr IW-31-08-04 lub z wykorzystaniem metody strumieniowo-ściernej zgodnie z postanowieniami zawartymi w instrukcji wewnętrznej Nr IW-31-08-06. Wykonanie dokumentacji dla określonej stacji korozyjnej zgodnie z wytycznymi. 3. Oceniane wskaźniki i zależności liczbowe Trzy próbki każdego metalu powinny być eksponowane przez określony czas, od początku pory roku o największej korozyjności (kwiecień, maj, wrzesień, październik). W tablicy 3 przedstawiono wielkości, jakie należy odnotować w formularzu PB-8/31/2009-2 po zdjęciu każdej próbki korozyjnej z ramy umieszczonej na stacji korozyjnej. Ocenę korozji próbek zgodnie z postanowieniami normy PN-78/H-04610 [9] powinno się prowadzić metodą liniowo-różniczkową lub metodą kwadratów, bez usuwania produktów korozji. Zaproponowane metody są pracochłonne i wymagają długiego okresu wykonywania pomiarów. W związku z tym opracowano w ITWL metodę numeryczną [17, 18, 19, 27], którą wykorzystuje się do oceny stopnia: skorodowania, przygotowania powierzchni, usunięcia produktów korozji, odporności korozyjnej, intensywności korodowania, wskaźnika usuwania produktów korozji oraz stopnia korozji powierzchni próbek korozyjnych. Przedstawione powyżej wielkości oblicza się zgodnie z zapisami wzorów zamieszczonych w tablicy 3.
10 Piotr BARSZCZ W oparciu o obliczone wielkości stopnia skorodowania S n w procentach określa się stopień odporności korozyjnej O n oraz rodzaj atmosfery i kategorię korozyjności według skali podanej w tablicy 2. Tablica 2 Klasyfikacja odporności korozyjnej i stopnia skorodowania badanych próbek korozyjnych oraz odpowiadające im rodzaj atmosfery i kategorie korozyjności [17, 18, 19, 27] Lp. Stopień odporności korozyjnej O n Stopień skorodowania S n [%] Rodzaj atmosfery Kategoria korozyjności 1 10 <10 2 9 10 20 wiejska C1 bardzo mała 3 8 20 30 C2 4 7 30 40 mała 5 6 40 50 miejska C3 6 5 50 60 średnia 7 4 60 70 8 3 70 80 9 2 80 90 10 1 90 100 przemysłowa nadmorska C4 duża C5 bardzo duża (przemysłowa) (morska) Należy zaznaczyć, że jest to jedna z metod stosowanych do określenia korozyjności atmosfery panującej w rejonie stałej stacji korozyjnej. Zliczanie pikseli czarnych i białych po obrobieniu obrazów próbek korozyjnych Obraz wyjściowy Obraz po usunięciu krawędzi Obraz przekształcony na piksele Obraz przekształcony na czarno-biały Rys. 3. Etapy oceny stopnia skorodowania S n i stopnia korozji K n próbek korozyjnych [19]
Badania korozji atmosferycznej z wykorzystaniem stałych stacji korozyjnych 11 Na rys. 3 przedstawiono kolejne etapy określania stopnia skorodowania i innych wielkości charakteryzujących proces korozyjny. Metoda polega na określeniu stosunku czarnych pikseli do całkowitej liczby pikseli składających się na czarno-biały obraz. Na początku należy obraz próbki otworzyć w programie IrfanView i wyciąć go w taki sposób, aby usunąć krawędzie, które wprowadziłyby zniekształcenie wyników wykonywanych obliczeń. Następnie należy przekształcić ten obraz na czarno-biały i taki otworzyć w programie Corrosion Area Description (CAD). Program ten pracuje w środowisku Mathematica, co w efekcie pozwala uzyskać parametry charakteryzujące przebieg procesów zachodzących na powierzchni zewnętrznej próbki korozyjnej. Tablica 3 Metody oceny uszkodzeń korozyjnych Dane wejściowe Wielkości obliczane Metoda makro Metoda numeryczna Postać produktów korozji Typ korozji Objawy korozyjne Rodzaj korozji Uszkodzenia korozyjne Opis zmian powierzchni metalu próbki po usunięciu produktów korozji n n suma pikseli czarnych na badanej powierzchni N n sumaryczna liczba wszystkich pikseli na badanej powierzchni S nbu stopień skorodowania powierzchni próbek bez usuwania produktów korozji [%] nnbu Snbu = 100 Nn S A nbu stopień skorodowania powierzchni górnej próbek bez usuwania produktów korozji [%] A A nnbu Snbu = 100 Nn S B nbu stopień skorodowania powierzchni dolnej próbek bez usuwania produktów korozji [%] B B nnbu Snbu = 100 Nn S npe stopień przygotowania powierzchni próbek przed wystawieniem ich na stację korozyjną [%]
12 Piotr BARSZCZ Zmiana masy Zmiana wymiarów m 0 masa próbki przed badaniem [mg] lub [g] m 1bu masa próbki po badaniu w czasie t bez usuwania produktów korozji [mg] lub [g] m 1u masa próbki po badaniu w czasie t i po usunięciu produktów korozji [mg] lub [g] A powierzchnia próbki [cm 2 ], [dm 2 ] lub [m 2 ] l 0 grubość próbki przed badaniem [mm] lub [µm] l 1bu grubość próbki po badaniu w czasie t bez usuwania produktów korozji [mm] lub [µm] l 1u grubość próbki po badaniu w czasie t i po usunięciu produktów korozji [mm] lub [µm] ρ gęstość materiału [g/cm 3 ] S nnpe = 100 N npe n S nu stopień usunięcia produktów korozji z powierzchni próbek [%] S nu nnu = 100 N n O n stopień odporności korozyjnej I pe intensywność korodowania S S nbu npe Ipe = t Snbu Snu Iu = t W uk wskaźnik usuwania produktów korozji Wuk = Snu S npe K n stopień korozji N n = n n K n nn m ubytek masowy [g] m = m0 m1 K m jednostkowy ubytek korozyjny masy [g/mm 2 ] m Km = A l bu ubytek liniowy [mm] bez usuwania produktów korozji lbu = l0 l1bu l u ubytek liniowy [mm] po usunięciu produktów korozji lu = l0 l1u ' K p średnia zmiana wymiarów (korozja liniowa) [mm] ' l Kp = [8] 2 K p średnia zmiana wymiarów [mm]
Badania korozji atmosferycznej z wykorzystaniem stałych stacji korozyjnych 13 K p K = m [8] ρ Szybkość korozji Korozja wżerowa Częstotliwość oraz głębokość zmian korozyjnych K m1 i K p1 ubytki korozyjne po upływie działania czynników korozyjnych w czasie t 1 K m2 i K p2 ubytki korozyjne po upływie działania czynników korozyjnych w czasie t 2 t 1 czas rozpoczęcia badań [doba] lub [lata] t 2 czas zakończenia badań [doba] lub [lata] n liczba punktów korozji l max maksymalna głębokość korodowania V m szybkość korozji wagowej [g/mm 2 /rok] Km K 2 m1 Vm = [8] t2 t1 V p szybkość korozji liniowej [mm/rok] Kp K 2 p1 Vp = t2 t1 V m szybkość korozji wagowej [g/mm 2 /rok] m = 2 m V 1 m At ( 2 t1) V p szybkość korozji liniowej [mm/rok] m2 m1 Vp = [8] ρat ( 2 t1) V p szybkość korozji liniowej [mm/rok] ' ' Kp K 2 p1 Vp = [8] t2 t1 H Q częstotliwość występowania zmian korozyjnych [1/cm 2 ] n HQ = 100 A s średnia zmiana głębokości [mm] s = m ρa ωl maksymalna prędkość wnikania max [mm/rok] lmax ω l = max t f współczynnik głębokości wnikania lmax f = s
14 Piotr BARSZCZ 13 12 11 10 StSAl Zn-Cu-Ti CuZn36R350 1050AH14 9 8 7 6 k próbek wzorcowych Stopień na korozję odpornoś o 5 4 3 2 1 0 ITWL ITW ITW Pow Pow Po Kra Kr K materiałów lotniczych na koro k próbek wykonanych Stopień z odporności o 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ITWL ITW ITW Pow Pow 2H13 H17 PA-2 4130AQ OT4-I D19AM 30HGSA D16AT St45 D16AM Rys. 4. Stopnie odporności na korozję próbek wzorcowych oraz wykonanych z materiałów lotniczych określone na podstawie szybkości korodowania Po Kra Kr K Na podstawie szybkości korodowania [11] określono stopnie odporności na korozję ºk próbek wzorcowych oraz próbek wykonanych z materiałów lotniczych
Badania korozji atmosferycznej z wykorzystaniem stałych stacji korozyjnych 15 (rys. 4). W oparciu o te wielkości określone dla próbek wzorcowych zakwalifikowano rodzaje atmosfer panujących w rejonie stacji (ITWL przemysłowa, Powidz miejska, Kraków przemysłowa) i stwierdzono, że najmniejszą odpornością na korozję charakteryzują się stale St45, 30HGSA oraz 4130AQ. Na rys. 5 przedstawiono przykładowe wyniki pomiaru ubytków mas próbek wzorcowych oraz wykonanych z materiałów lotniczych. 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 Δm [g/rok] prσbek Ubytki wzorcowych mas 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 ITWL St3SAl Zn-Cu- Ti CuZn36R350 1050AH14 ITW ITW Pow Pow Po Kra Kr K bek ó wykonanych z Δm [g/rok] pr Ubytki mas 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 w łó lotniczych 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 materia 2H13 H17 PA-2 4130AQ OT4-I D19AM 30HGSA D16AT St45 D16AM ITWL ITW ITW Pow Pow Po Kra K Kr Rys. 5. Ubytki mas próbek wzorcowych oraz wykonanych z materiałów lotniczych
16 Piotr BARSZCZ W oparciu o wyniki pomiarów ubytków korozyjnych określono kategorie korozyjności zgodnie z normą Nr PN-EN ISO 12944-2 [20], i tak w Warszawie, Powidzu i Krakowie kategorię korozyjności określono jako C3 (średnia), a największymi ubytkami masy próbek wykonanych z materiałów lotniczych charakteryzują się stale St45, 30HGSA oraz 4130AQ. Na podstawie stopni skorodowania S n próbek wzorcowych oraz wykonanych z materiałów lotniczych wystawionych na stacjach, w oparciu o dane zawarte w tablicy 2 [17, 19, 27] określono rodzaj atmosfery i kategorie korozyjności, a dla próbek korozyjnych wykonanych z materiałów lotniczych określono stopnie skorodowania oraz stopnie odporności korozyjnej. Oceniono, że w Warszawie panuje atmosfera przemysłowa C4 (duża), w Powidzu i w Krakowie miejska C3 (średnia). Największymi stopniami skorodowania S n próbek wykonanych z materiałów lotniczych charakteryzują się stale St45, 30HGSA oraz 4130AQ. 4. Analiza warunków atmosferycznych panujących w obszarze stacji korozyjnych Dane i informacje dotyczące warunków atmosferycznych uzyskuje się m.in. z Centrum Hydrometrologii Sił Zbrojnych RP, w szczególności są to: T śr, T min, T max temperatura średnia, minimalna, maksymalna; T r temperatura punktu rosy; RH wilgotność; V w prędkość wiatru; t zw czas zwilżania; a także oznaczenie kierunku wiatru wg 16-stopniowej skali. Czas zwilżania (t zw ) jest to okres, podczas którego powierzchnia metalu jest pokryta warstewką elektrolitu powodującego zapoczątkowanie korozji atmosferycznej. Wartości czasu zwilżania mogą być obliczone na podstawie temperatury i wilgotności względnej (RH) przez zsumowanie godzin, gdy RH > 80%, a temperatura wynosi >0 ºC. Ilość wody w powietrzu, czyli wilgotność, może być wyrażona w jednostkach wagowych, w jednostkach ciśnienia pary wodnej lub też za pomocą tzw. punktu rosy. Punkt rosy jest to temperatura, w której próbka powietrza o danej zawartości pary wodnej osiąga stan nasycenia. Oddalenie od stanu nasycenia w danej temperaturze jest wyrażane w postaci stopnia nasycenia. Jest to procentowy stosunek masy wody w jednostce objętości powietrza do masy wody zawartej w tej samej objętości i temperaturze w stanie nasycenia. To samo można też wyrazić
Badania korozji atmosferycznej z wykorzystaniem stałych stacji korozyjnych 17 jako wilgotność względną, czyli procentowy stosunek cząstkowego ciśnienia pary wodnej w danej próbce powietrza do cząstkowego ciśnienia tej pary w tej samej temperaturze w stanie nasycenia. Na rys. 8 przedstawiono wartości temperatury średniej (T śr ) i wilgotności względnej (RH) w poszczególnych rejonach stacji korozyjnych. Ponadto analizuje się temperatury punktu rosy (T r ) w rejonie stacji korozyjnych postawionych w wyznaczonych miejscach, prędkości wiatru (V w ), czas zwilżania (t zw ) w kolejnych miesiącach okresu prowadzenia badań na stacjach korozyjnych. C] o [ śr Temperatura T 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 ITWL Kraków Powidz Malbork Mińsk Świdwin Mirosławiec Poznań Łask Darłowo Babie Doły 11/05 10/05 09/05 08/05 07/05 06/05 05/05 09/04 03/05 02/05 01/05 12/04 11/04 10/04 09/04 98 96 94 92 90 88 86 84 82 80 78 76 74 72 70 68 66 64 62 60 58 56 54 52 50 48 46 Wilgotność RH Data 12/06 11/06 10/06 09/06 08/06 07/06 06/06 05/06 04/06 03/06 02/06 01/06 12/05 ITWL Kraków Powidz Malbork Mińsk Świdwin Mirosławiec Poznań Łask Darłowo Babie Doły 11/05 10/05 09/05 08/05 07/05 06/05 05/05 09/04 03/05 02/05 01/05 12/04 11/04 10/04 09/04 Data 04/06 03/06 02/06 01/06 12/05 12/06 11/06 10/06 09/06 08/06 07/06 06/06 05/06 Rys. 8. Temperatury średnie i wilgotności względne w poszczególnych miesiącach w rejonie stacji korozyjnych uzyskane w oparciu o dane przekazane z Centrum Hydrometrologii Sił Zbrojnych RP
18 Piotr BARSZCZ Jak widać, najniższe temperatury w rejonie stacji korozyjnej panowały w lutym, a najwyższe w lipcu, najwyższa wilgotność RH panowała w grudniu, a najniższa w lipcu, największe prędkości wiatru odnotowano w styczniu, a najmniejsze we wrześniu, najdłużej próbki były zwilżane w grudniu, a najkrócej w maju. Na rys. 9 przedstawiono zawartość dwutlenku siarki SO 2 i tlenku azotu NO. Ponadto analizuje się zawartość w powietrzu dwutlenku azotu NO 2, ozonu O 3, pyłu zawieszonego PM 10, tlenków azotu NO x, tlenku węgla CO, benzenu C 6 H 6, ksylenu C 8 H 10, toluenu C 7 H 8, MP ksylenu C 8 H 10, etylobenzenu C 6 H 6, O ksylenu C 8 H 10, ponadto wartości ciśnienia atmosferycznego PH, efektywny strumień promieniowania UV, ilość opadów w rejonie stacji korozyjnych oraz radiację całkowitą RAD. a) 90 85 80 75 70 ] 3 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 2w powietrzu [µg/m Zawartość SO ITWL Kr aków Powidz Malbork Mińsk Świdwin Mirosławiec Krzesiny Łask Darłowo Babie Doły b) 44 42 40 38 36 ] 3 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 Zawartość NO w pow -2 02 03/06 02/06 01/06 12/05 11/05 10/05 09/05 08/05 07/05 06/05 05/05 09/04 03/05 02/05 01/05 12/04 11/04 10/04 09/04 ITWL Kr aków Powidz Malbork Mińsk Świdwin Mirosławiec Poznań Łask Darłowo Babie Doły Data 03/06 02/06 01/06 12/05 11/05 10/05 09/05 08/05 07/05 06/05 05/05 09/04 03/05 02/05 01/05 12/04 11/04 10/04 09/04 Data 07/07 06/07 05/07 04/07 03/07 02/07 01/07 12/06 11/06 10/06 09/06 08/06 07/06 06/06 05/06 04/06 07/07 06/07 05/07 04/07 03/07 02/07 01/07 12/06 11/06 10/06 09/06 08/06 07/06 06/06 05/06 04/06 Rys. 9. Zawartość dwutlenku siarki SO 2 (a) i tlenku azotu NO (b) w powietrzu w rejonie stacji korozyjnych postawionych w określonych miejscowościach uzyskane w oparciu o dane przekazywane przez Inspektorat Ochrony Środowiska
Badania korozji atmosferycznej z wykorzystaniem stałych stacji korozyjnych 19 5. Analiza korelacji wskaźników oceny korozji i warunków atmosferycznych panujących w rejonie stacji korozyjnych Korelacja jest miarą powiązania pomiędzy dwiema lub większą liczbą zmiennych. Skale pomiarowe, jakich używa się w takiej analizie, powinny być co najmniej skalami przedziałowymi, lecz zdefiniowano także takie współczynniki korelacji, które umożliwiają analizę danych innych typów. Współczynniki korelacji przyjmują wartości z przedziału od -1 do +1. Wartość -1 reprezentuje doskonałą korelację ujemną, a wartość +1 doskonałą korelację dodatnią. Wartość 0 wyraża brak korelacji. Najczęściej używanym typem współczynnika korelacji jest tzw. współczynnik korelacji Pearsona r, nazywany również współczynnikiem korelacji liniowej. Współczynnik korelacji r wyraża liniową zależność między dwiema zmiennymi. Jeśli podniesiemy jego wartość do kwadratu, wówczas otrzymana wartość (r 2 współczynnik determinacji) wyraża proporcję wspólnej zmienności dwóch zmiennych (tzn. siłę lub wielkość powiązania). Aby ocenić korelację pomiędzy zmiennymi, należy znać jej siłę (wielkość), jak też istotność współczynnika korelacji. Oszacowano powiązanie procesów korozyjnych z wybranymi parametrami i zjawiskami zachodzącymi w środowisku, w którym przebywały próbki korozyjne. Przeanalizowano rozkłady prawdopodobieństw dla współczynnika korelacji Pearsona r i stwierdzono, że najbardziej odpowiednim rozkładem jest rozkład normalny (rys. 10). Z prawdopodobieństwem 0,95 wartości współczynnika korelacji, za analizowany okres dla wyników uzyskanych ze stacji korozyjnych, wynoszą: Δm- S n = 0,82, V p -S n = 0,77, Δm-V p = 1,00, S n A-S n B = 0,92, S n -CISZA = 0,55, S n - W(wiatr z zachodu) = 0,49, S n -ZMIENNY = 0,56, S n -E(wiatr ze wschodu) = 0,42, S n -t zw = 0,43. Dla liniowej szybkości korozji V p i ubytków korozyjnych mas próbek Δm współczynnik korelacji wynosi 1,00, można zatem zamiennie mierzyć ubytki masy lub ubytki grubości próbek korozyjnych. Współczynnik korelacji dla intensywności korozji S n (który charakteryzuje zmiany zachodzące na powierzchni próbek) oraz CISZY i wiatr ZMIENNY osiąga tę samą wartość. Może to sugerować, że przechowywanie SP w pomieszczeniu i przetrzymywanie go na wietrze zmiennym wpływa tak samo na konstrukcję pod kątem korozji i degradacji pokryć ochronnych. Procesy zachodzące na wolnym powietrzu mają mniejszy wpływ na procesy korozyjne niż w pomieszczeniu zamkniętym.
20 Piotr BARSZCZ 10 9 8 7 Δm-S n V p -S n Δm-V p S n A-S n B 6 5 Liczba obserwacji 4 3 2 1 0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 5 4 3 S n -CISZA S n -W S n -ZMIENNY S n -E S n -t zw 2 Liczba obserwacji 1 0-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Rys. 10. Dopasowanie rozkładu normalnego dla współczynników korelacji Pearsona r wskaźników oceny korozji i warunków atmosferycznych 6. Wnioski Wnioski zamieszczone poniżej sformułowano na podstawie wyników badań korozji atmosferycznej przeprowadzonych w zadanym okresie i tylko do tego okresu się odnoszą.
Badania korozji atmosferycznej z wykorzystaniem stałych stacji korozyjnych 21 1. Na podstawie przyrostów mas Δm oraz przyrostów grubości Δl próbek korozyjnych wykonanych z tytanu oceniono, że najbardziej zanieczyszczona związkami stałymi jest atmosfera w okolicach Powidza, a miejscowością o najmniejszej zawartości związków stałych w atmosferze jest Malbork. Z analizy zawartości pyłu zawieszonego PM 10 wynika, że największą jego zawartość w powietrzu odnotowano w rejonie Mińska Mazowieckiego i Warszawy. 2. W oparciu o szybkość korodowania [11] określono stopnie odporności na korozję ºk próbek wykonanych z materiałów lotniczych i stwierdzono, że najmniejszą odpornością na korozję charakteryzują się stale St45, 30HGSA oraz 4130AQ. 3. Na podstawie analizy stopni odporności na korozję ºk próbek wzorcowych oceniono atmosferę w rejonie stacji korozyjnych: w Warszawie, Krakowie, Świdwinie, Mirosławcu i Darłowie jest atmosfera przemysłowa, natomiast w Mińsku Mazowieckim, Malborku, Powidzu, Poznaniu, Łasku i Babich Dołach jest atmosfera miejska [18]. 4. Na podstawie analizy ubytków mas na jednostkę powierzchni próbek wzorcowych określono kategorie korozyjności i zakwalifikowano atmosferę w Warszawie, Mińsku Mazowieckim, Malborku, Powidzu, Krakowie, Świdwinie, Mirosławcu, Poznaniu, Łasku i Babich Dołach do kategorii C3 (średnia), natomiast w Darłowie do kategorii C2 (mała) [18, 20]. 5. Na podstawie analizy stopni skorodowania S n próbek wzorcowych oceniono, że w rejonie stacji korozyjnej w Warszawie jest atmosfera przemysłowa (kategoria C4 duża), w Mińsku Mazowieckim, Malborku, Powidzu, Krakowie, Świdwinie, Mirosławcu, Poznaniu, Łasku i Babich Dołach jest atmosfera miejska (kategoria C3 średnia), w Darłowie jest atmosfera miejska (kategoria C2 mała) (tablica 2). 6. Korozyjność atmosfery oceniano trzema metodami i stwierdzono, że kwalifikacje uzyskane przy wykorzystaniu każdej z nich nie zawsze pokrywają się ze sobą, w związku z tym określanie korozyjności atmosfery jedną metodą może być obarczone błędem, dlatego też wskazane by było, aby szacować korozyjność atmosfery w oparciu o dostępne metody. 7. Z analizy rozkładu prawdopodobieństwa współczynnika korelacji Pearsona r wynika, że można zamiennie mierzyć ubytki masy Δm lub ubytki grubości Δl próbek korozyjnych. 8. Przechowywanie SP w pomieszczeniu czy przetrzymywanie go na wietrze zmiennym wpływa jednakowo na konstrukcję, jednak procesy zachodzące na wolnym powietrzu przebiegają wolniej.
22 Piotr BARSZCZ 9. Suma ubytków korozyjnych próbek jednorocznych wykonanych z tego samego rodzaju materiału jest większa od ubytków korozyjnych próbek trzyletnich. Przyczyną takiej sytuacji jest spowalnianie procesów korozyjnych przez produkty korozji oraz związki z powietrza osadzające się na powierzchniach próbek. 10. W zależności od kategorii korozyjności atmosfery (rodzaju środowiska korozyjnego) można określić metody zabezpieczania powierzchni elementów konstrukcji statków powietrznych, rodzaj zabezpieczenia i grubość nanoszonej warstwy antykorozyjnej. 11. Wyniki badań korozji atmosferycznej materiałów lotniczych można wykorzystywać do oceny możliwości zwiększania resursów statków powietrznych eksploatowanych obecnie w Siłach Zbrojnych RP oraz w ramach eksploatacji SP wg stanu technicznego. Literatura 1. Aluminium i stopy aluminium. Utlenianie anodowe. Część 18: Systemy oceny korozji wżerowej. Metoda wzorców PN-EN 12373-18:2004. 2. Aluminium i stopy aluminium. Utlenianie anodowe. Część 19: System oceny korozji wżerowej. Metoda siatkowa PN-EN 12373-19. 3. Badania korozyjne próbek wykonanych z określonych materiałów MB-5/31/2009 4. Barszcz P., Ciepliński M.: Badania korozji atmosferycznej z wykorzystaniem stałych stacji korozyjnych. Opracowanie ITWL 2007 r. 5. Corrosion of metals and alloys Corrosivity of atmospheres Measurement of pollution. ISO 9225:1992. 6. Corrosion of metals and alloys Removal of corrosion products from corrosion test specimens. ISO 8407:1991. 7. Daniels J.A.: Critical examination of C-130 programmed depot maintenance (PDM) induction methodology: determining PDM intervals. Air Command and Staff College, march 1997. 8. Korozja metali. Metody oceny badań korozyjnych PN-78/H-04610. 9. Korozja metali i stopów. Podstawowe terminy i definicje PN-EN ISO 8044:2002. 10. Korozja metali. Skala odporności metali na korozję PN-78/H-04608:1979. 11. Korozja metali. Terminologia PN-69/H-04609. 12. Królikowska A.: Projektowanie i nadzór nad wykonaniem zabezpieczeń antykorozyjnych na stalowych konstrukcjach mostowych. Instytut Badawczy Dróg i Mostów. Warszawa, marzec 2006. 13. Korozja metali. Badania w naturalnych warunkach środowiska morskiego PN-88/H-04627. 14. Metals and alloys Atmospheric corrosion testing General requirements for field tests ISO 8565:1992.
Badania korozji atmosferycznej z wykorzystaniem stałych stacji korozyjnych 23 15. Metale i stopy. Badania korozji atmosferycznej. Wymagania ogólne dotyczące badań terenowych PN-EN ISO 8565:2000. 16. Nadzór metrologiczny mikrometru elektronicznego 0 25 mm IW-31-11-37A. 17. Nadzór metrologiczny stanowiska do wykonywania zdjęć wyglądu zewnętrznego próbek korozyjnych IW-31-11-03. 18. Ocena korozyjności atmosfery MB-4/31/2009. 19. Ocena stopnia skorodowania oraz odporności korozyjnej próbek na podstawie obrobionego obrazu ich wyglądu zewnętrznego IW-31-08-03. 20. Ochrona materiałów metalowych przed korozją. Ryzyko korozji w warunkach atmosferycznych. Klasyfikacja, określenie i ocena korozyjności atmosfery PN-EN 12500:2002. 21. Ochrona przed korozją. Badania korozyjne w naturalnych warunkach atmosferycznych PN-72/H-04637:1973. 22. Pomiar grubości próbek w celu określenia ubytków korozyjnych IW-31-08-02. 23. Pomiar masy próbek w celu określenia ubytków korozyjnych IW-31-08-01. 24. Postępowanie z odpadami powstającymi podczas usuwania produktów korozji metodą chemiczną IW-31-08-07. 25. Usuwanie produktów korozji metodą chemiczną IW-31-08-04. 26. Usuwanie produktów korozji metodą strumieniowo-ścierną IW-31-08-06. 27. Wykonywanie zdjęć wyglądu zewnętrznego próbek korozyjnych IW-31-08-05.