Studi sull'erosione da impatto della sabbia elettrochimica e secca sull'acciaio al carbonio

May 08, 2023

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 16583 (2015) Citare questo articolo

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Questo studio ha studiato l'erosione secca e acquosa dell'acciaio dolce utilizzando tecniche di impatto elettrochimico e di sabbia secca. Negli esperimenti di impatto con sabbia secca, l'acciaio dolce è stato eroso con particelle di sabbia da 45 μm e 150 μm. Per elaborare la morfologia superficiale dei campioni erosi sono state utilizzate tecniche di microscopia elettronica a scansione (SEM), spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX) e microdurezza. I risultati hanno rivelato cambiamenti significativi nella morfologia dei campioni erosi. Un'analisi approfondita ha dimostrato che, sebbene l'erosione del metallo dovuta alle particelle più grandi fosse significativamente maggiore, le particelle fini danneggiavano notevolmente anche la superficie metallica. I danni superficiali sono stati sensibilmente ridotti con la diminuzione dell'angolo di impatto delle particelle accelerate. I danni massimi sono stati osservati con un angolo di impatto di 90°. La durezza dei campioni trattati con sabbia da 45 μm e 150 μm è rimasta nell'intervallo rispettivamente da 88,34 a 102,31 VHN e da 87,7 a 97,55 VHN. Negli esperimenti elettrochimici, nel processo di trattamento dei metalli è stata aggiunta una sonda a triplo elettrodo. Le misurazioni della resistenza alla polarizzazione lineare (LPR) sono state eseguite in fanghi contenenti il ​​5% (in peso) di particelle di sabbia. L'LPR dei campioni trattati con fanghi di sabbia da 45 μm e 150 μm è stato calcolato rispettivamente su 949 Ω.cm2 e 809 Ω.cm2.

L'erosione è generalmente definita come la perdita di materiale dalla superficie metallica colpita da un fluido che scorre che trasporta minuscole particelle solide con una sequenza di azioni meccaniche1,2. La relazione tra le diverse definizioni di erosione si riferisce in realtà all'erosione dei metalli mediante vari meccanismi dannosi. Ci sono molti casi in cui si verificano incidenti dovuti a perdite a causa dell'erosione dei metalli causata dalla sabbia grossolana e dai fini nelle industrie del petrolio e del gas2,3. Alcuni casi provocano la morte a causa della fuoriuscita di gas naturale altamente pressurizzato dalle linee di flusso di produzione, che può causare esplosioni, come illustrato nella Fig. 1.

Rottura causata dall'erosione da impatto della sabbia dell'acciaio dolce.

Il petrolio e il gas estratti dal pozzo sono inevitabilmente inquinati da sabbia e altre particelle solide. I detriti indesiderati sono la principale fonte di numerosi problemi di assicurazione del flusso nell’industria del petrolio e del gas. Anche il danneggiamento dei raccordi e delle tubazioni è una conseguenza dell'erosione dovuta all'impatto della sabbia. Se l’erosione non viene adeguatamente prevista, monitorata e controllata, può ostacolare l’intero processo produttivo. In alcuni casi, può causare l'interruzione del processo per un lungo periodo di tempo. Pertanto è importante comprendere e prevedere l'erosione dovuta all'impatto della sabbia per proteggere adeguatamente le tubazioni e le apparecchiature dai potenziali pericoli3.

Il processo di erosione è ulteriormente classificato in erosione tentacolare ed erosione acquosa. Questo studio tratta sia i processi di erosione secca che quella acquosa. L'erosione acquosa comporta la rimozione del materiale tramite collasso delle bolle o impatto di particelle liquide/solide. Nel presente caso, l'erosione dell'acciaio dolce in un impasto di sabbia al 5% in peso e in un ambiente di impatto con sabbia secca è stata eseguita con due dimensioni delle particelle. È importante ricordare che l'erosione è solitamente estrema in presenza di sabbia nel fluido. L'erosione dei liquami o dell'acqua è anche un problema importante nelle turbine idroelettriche e in altri macchinari a fluidi in cui le particelle solide erodenti trascinate nel fluido colpiscono la superficie metallica provocandone la degradazione3,4.

Una reazione elettrochimica deteriora la superficie del materiale attraverso l'erosione e la corrosione mentre la forza meccanica delle particelle solide danneggia la superficie attraverso l'erosione. In un mezzo acquoso o in un impasto liquido, la velocità della reazione elettrochimica per il materiale passivo è relativamente inferiore al flusso del flusso che trasporta le particelle solide5. I fluidi che fluiscono possono deteriorare completamente o parzialmente gli strati passivi. Tuttavia, l’erosione superficiale dipende essenzialmente dalla velocità delle particelle solide, dall’angolo di impatto, dalla resistenza meccanica e dall’affilatura delle particelle coinvolte nel processo. La rottura dei film passivi provoca la depassivazione superficiale, di conseguenza la velocità della reazione elettrochimica aumenta a causa della ripassivazione e della dissoluzione del metallo. Tuttavia, periodi di impatto molto più brevi e deformazioni altamente localizzate possono portare a fenomeni di impatto complicati3,4,5.