Влияние климата на металлы и полимерные материалы



Рис. 30 Схема ячейки трубчатой печи, предназначенной для проведения испытаний пластмасс на старение при повышенных температурах:

1 - трубки для образцов; 2 - входные отверстия в трубки с клапанами для регулирования потока воздуха; 3 - отверстия для выхода обогревающего воздуха; 4 - стенки ячейки; 5 - испытываемые образцы.

Образцы испытываемых полимерных материалов выдерживают при различных температурах. температура испытаний и время нахождения образца в термостате задают материаловедческие лаборатории согласно Техническому Заданию на разработку нового материала.

Температуру, при которой проводят испытания, необходимо регистрировать непрерывно или периодически, но с частыми интервалами.

Испытания неметаллических материалов на тепловое старение проводится, как правило, непрерывно в течение всего заданного времени, однако иногда возникает необходимость во временных перерывах. В этом случае продолжительность «отдыха» не должна превышать 4/5 продолжительности периода теплового старения. Образцы полимерных материалов при проведении теплового старения необходимо размещать так, чтобы в течение всего периода испытания была обеспечена свободная конвенция воздуха к каждому образцу. В целом образцы в термостате должны находится не ближе 50 мм от стенок камеры и занимать не более 50 % объема камеры. Поэтому при постоянном испытании на тепловое старение большого числа образцов (при условии, что ассортимент пластмасс достаточно велик и их контакт нежелателен) следует применять термостаты с небольшим объемом рабочей камеры. Наиболее рационально в таких случаях иметь несколько «блоков» термостатов, по 5-10 термостатов в блоке. Каждый такой блок должен быть предназначен для проведения испытаний при какой-либо одной температуре.

В качестве основных характеристик изменения свойств исследуемых полимерных материалов после термостарения используют прочностные, оптические, теплофизические и другие свойства так называемые «служебные характеристики», которые выбирают с учетом целевого назначения полимерных материалов. На практике для оценки изменения свойств пластмассы в процессе старения чаще всего используют физико-механические показатели.

Результаты испытаний пластмасс обычно представляют в виде зависимости изменения контролируемого показателя от продолжительности испытания при заданной температуре. Изменения контролируемого показателя выражают в виде отношения:

Р_? /Р_о=К [5]

где Р_? и Р_о -текущее и исходное значение контролируемой характеристики соответственно;

К - коэффициент сохранения значения контролируемой характеристики.

Коэффициент старения К', т.е. величину, показывающую относительное снижение значения контролируемой служебной характеристики, выражают следующим образом:

[6]

Коэффициент сохранения контролируемой характеристики К и коэффициент старения К' выражают в процентах.

Результаты, полученные при испытании пластмасс теплового старения, позволяют:

- устанавливать температурно-временные пределы сохранения служебных свойств в заданных пределах, оценивать влияние вводимых добавок (стабилизаторов, пластификаторов и т.п.) на температурно-временные пределы сохранения контролируемых свойств;

- проводить сравнительную оценку различных материалов для выбора наиболее подходящих для конкретных условий эксплуатации;

- прогнозировать изменение свойств полимерных материалов при продолжительном хранении или в температурном интервале, отличающимся от температур испытания.

Однако основным назначением испытаний на старение при повышенных температурах следует считать полученные данные, необходимых для прогнозирования сроков хранения материала как такового или в форме конкретной детали, или детали, входящей в состав какого-либо изделия. Поскольку такое назначение тепловых испытаний является наиболее важным, отсюда понятен высокий уровень требований, предъявляемый к условиям испытаний, качеству образцов и корректности всех последующих изменений и расчетов.

Старение под действием светового излучения.

Солнечный радиация является агрессивным фактором старения в естественных условиях, действует совместно с температурой окружающего воздуха, относительной влажностью, кислородом и воздухом. Различные сочетания этих факторов, а также непостоянство их действия в течение длительного времени эксплуатации в природных условиях осложняют их удовлетворительную имитацию в искусственных условиях.

Поскольку установлено, что преобладающими в разрушении полимерных материалов при прямом действии солнечного света являются фотохимические реакции, целесообразно рассмотреть некоторые методические аспекты проведения испытаний в искусственных условиях.

Испытания в естественных условиях различных климатических зон требуют значительных затрат времени и исключают строгую регламентацию условий, что необходимо для сравнения результатов, полученных различными исследованиями. Условия лабораторных испытаний поддаются более строгой регламентации, позволяющей использовать их для следующих целей:

- определения стойкости полимерных материалов к совместному действию всех или части искусственно создаваемых климатических факторов;

- установления влияния химического состава полимерных материалов, технологии изготовления материалов и других факторов на их стойкость;

- выявления сравнительной стойкости различных полимерных материалов (при одинаковых условиях испытаний);

Для определения светостойкости материалов необходимо иметь источник света, изучение от которого по составу и интенсивности максимально совпадает солнечным излучением.

При исследовании фотохимических превращений в полимерных материалах очень важна не только интенсивность светового потока, но и спектральное распределение излучаемой энергии. Различные полимерные материалы претерпевают интенсивные превращения под действием излучения определенных длин волн, причем граница максимальной длины волны не превышает 370 нм. Излучение в области длин волн, меньших 290 нм, как правило, приводит к изменениям, не идентичным изменениям, происходящим под действием солнечного света. Поиски новых источников света для искусственных испытаний показали, что наиболее подходящим является излучение электрической дуги в ксеноне.

Спектральный состав излучения ксеноновой лампы практически идентичен составу солнечного излучения на поверхности земли. Применяя различные светофильтры, можно менять интенсивность светового потока и смещать коротковолновую границу излучения ксеноновой лампы. Интенсивность излучения ксеноновой лампы в ближней ИК- области 800-1000 нм может быть уменьшена спектральными тепловыми фильтрами.

Применяемые в аппаратах искусственной погоды источники светового излучения не обеспечивают постоянной интенсивности светового потока в течение длительной их эксплуатации. В ксеноновых лампах происходят изменения пропускающей способности кварца, из которого изготовлена колба лампы, вследствие явления «соляризации». Поэтому очень важным, особенно при продолжительных искусственных испытаниях, становится изменение и регистрация интенсивности светового потока, поступающего на испытываемые образцы.

Эффект действия излучения зависит от его количества, падающего на единицу поверхности на некотором расстоянии от источника за единицу времени (интенсивность светового потока или освещенность).

Для изучения старения неметаллических материалов наибольший интерес представляет изменение освещенности. Это обусловлено тем, что изменение свойств полимерных материалов происходит прежде всего вследствие протекания фотохимических реакций, которые инициируются в результате поглощения света. Эти реакции протекают в две стадии: на первой стадии происходит собственно поглощение света (первичная реакция), а на второй - взаимодействие различных образовавшихся частиц - молекул, ионов или радикалов (вторичная «темновая» реакция). Поскольку фотохимические реакции в полимерных материалах инициируются в основном только коротковолновой частью светового излучения, большой интерес представляет способность измерения количества коротковолновой части спектра, падающего на поверхность исследуемого объекта.

Методы измерения энергии падающего светового излучения можно разделить на фотоэлектрические, термоэлектрические и актинометрические. Измерение интенсивности света, падающего на объект или прошедшего через него, важно при исследовании любой фотохимической реакции.

Измерение интенсивности света в УФ- области можно осуществлять не с помощью чистых полимеров, используемых в качестве химических актинометров, а также непосредственно соответствующими приборами, основным элементов которых являются фотоэлементы, фотосопротивления, термобатареи.

Использование любого полимерного актинометра или инструментальных способов измерения интенсивности светового излучения позволяет проводить испытания в аппаратах искусственной погоды при контролируемых условиях, что необходимо в целях повышения информативности результатов испытаний. При этом полученные результаты можно выражать любым способом. Например, используя в качестве актинометра полиэтилен, можно выражать результаты измерения в величинах пропускания, поглощения или оптической плотности при длине волны 5,8 мкм.

При сопоставлении свето- или погодостойкости различных полимерных материалов, а также для сопоставления погодостойкости полимеров, определенной в естественных и искусственных условиях, рекомендуют выражать интенсивностьизлучения в мкВт/см², поскольку эта единица не зависит от длины волны. Однако с учетом избирательной чувствительности полимеров к спектральному составу падающего света, по-видимому, только одной энергетической характеристики недостаточно. Для сравнения результатов испытаний пластмасс необходимы данные о спектральном составе падающего света.

В целом при испытании свето- и погодостойкости полимерных материалов существует еще много нерешенных вопросов и, в первую очередь, вопрос, касающихся методов измерения светового излучения как наиболее эффективного внешнего фактора.

Старение под действием повышенной влажности.

При эксплуатации в помещениях или при хранении изделия из полимерных материалов подвергаются одновременному воздействию температуры и влажности окружающего воздуха. Прямое воздействие солнечных лучей при этом отсутствует. В зависимости от конкретного применения изделия из полимерного материала подвергаются либо длительному и непрерывному воздействию температуры и влажности окружающего воздуха, либо кратковременным воздействиям этих факторов. Абсолютные значения температуры и влажности зависят от климатической зоны и ряда других факторов, непосредственно связанных с назначением изделия, и, следовательно, с условиями эксплуатации. О стойкости полимерных материалов к современному или последовательному действию температуры и влажности можно судить по изменению их эксплуатационных свойств.

Испытания на стойкость полимерных материалов или изделий из них к действию температуры и влаги, которое может быть весьма разнообразным как по интенсивности, так и по продолжительности, проводятся в специальных тепловлажностных камерах, которые различаются объемом рабочей камеры, интервалом регулируемых температур и относительных влажностей, а также рядом конструктивных и других особенностей. Определение стойкости неметаллических материалов к тепловлажностному воздействию проводится по специальному стандарту, представляющему собой результат обобщения методов, используемых в различных отраслях промышленности. При испытании испытываемые образцы используются в виде пластин или они приближены к форме изделия, изготавливаемого из того же материала. Использование стандартных образцов не рекомендуется. Температура испытания, как правило, выбирается в пределах 55-70-100°С (328-343-373 К), относительная влажность - 50-98%. Оценку влияния условий испытаний на контролируемый параметр следует проводить на образцах с одинаковым равновесным влагосодержанием. Скорость достижения предельного содержания влаги в исследуемом материале зависит от гидрофильности материала, относительной влажности и температуры. Это необходимо учитывать при интерпретации результатов испытания.

В тех случаях, когда необходимо установить наличие необратимых изменений в свойствах неметаллических материалов после длительного их пребывания в атмосфере с высокой относительной влажностью, образцы необходимо кондиционировать по стандартному методу. Такого рода испытания проводятся в тех случаях, когда имеется вероятность того, что материал, находящийся в атмосфере с повышенной влажностью, может подвергаться гидролизу, сопровождаемому накоплением необходимых изменений в свойствах. [6] (Н.Н. Павлов «Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях», Москва, 1982 год) стр. 23-57

3. Натурные испытания металлических и неметаллических материалов

Наиболее достоверные результаты коррозии и старения полимерных материалов в атмосфере могут быть получены только при испытаниях в естественных (природных) условиях.

При ускоренных испытаниях в камерах до сих пор не удается достаточно правильно воспроизвести весь комплекс внешних условий, определяющих скорость атмосферной коррозии материалов. Это объясняется тем, что в природных условиях на металлы и другие материалы одновременно действует целый ряд факторов (температура, влажность воздуха, дождь, роса, ветер, солнце). В промышленных районах, помимо чисто метеорологических факторов, существенное влияние оказывают примеси таких газов, как SO₂, SO₃, H₂S, Cl₂, NH₃ и др. В приморских районах скорость коррозии в значительной степени зависит от концентрации аэрозолей морской воды в воздухе.

Кроме того, при ускоренных испытаниях в камерах на металлах и покрытиях почти всегда возникают фазовые слои продуктов коррозии, по своим физико-химическим свойствам существенно отличающихся от подобных слоев, образующихся в природных условиях.

В России и за рубежом имеется большая сеть коррозионных станций, на которых проводятся коррозионные испытания различных конструкционных материалов и защитных покрытий.

Условия испытания и оборудование климатических станций.

Скорость коррозии и старения полимерных материалов зависит не только от метеорологических условий и концентраций примесей (солей, газов) в воздухе, но и от конструкционных особенностей данного агрегата и условий его эксплуатации. В каждом конкретном районе образцы материалов могут экспонироваться в открытой атмосфере, под навесом или храниться в неотапливаемых либо отапливаемых складах. Большое значение имеет расположение образцов (горизонтальное, вертикальное, под углом), поскольку для металлов коррозионный процесс протекает с разной скоростью на верхней и нижней поверхности металлического образца. Поэтому охватить при проведении испытаний на климатических станциях все возможные условия эксплуатации узлов конструкций из материалов невозможно. В целях наибольшего приближения к реальным условиям образцы металлов и покрытий на всех коррозионных станциях испытываются главным образом в открытой атмосфере и в жалюзийных будках. Конечно, испытания в жалюзийных будках нельзя отождествлять с условиями складского хранения, поскольку склады обычно имеют сплошные стены, но сопоставление результатов испытаний в открытой атмосфере и в жалюзийных будках, исключающих непосредственное влияние солнечных лучей и осадков, дает возможность в первом приближении оценить влияние отдельных метеорологических факторов на скорость атмосферной коррозии.

На территории каждой станции расположены жалюзийные будки размером 5 х 5 х 4 м для испытания образцов в условиях, имитирующих хранение изделий в неотапливаемых складах.

Для систематических метеорологических наблюдений на станциях имеются две стандартные метеорологические будки. Обычно в одной будке установлены термографы и гигрографы; во второй будке помещаются психрометрические термометры, служащие для контроля показаний самопишущих метеорологических приборов. Для определения продолжительности солнечного сияния на площадках установлены гелиографы. Для измерения продолжительности дождя все станции снабжены дождемерами.

Кроме метеорологических приборов на некоторых станциях на открытом воздухе и в будке установлены специальные датчики для непрерывной регистрации времени увлажнения металлов. Все климатические станции имеют лабораторные помещения, в которых производится обработка снятых с испытания образцов и проводятся научно-исследовательские работы.

Согласно ГОСТ 9.906 «Станции климатические испытательные. Общие требования» устанавливаются общие требования к станциям, предназначенные для проведения испытаний изделий, материалов и средств защиты в атмосферных условиях климатических районов с целью:

- определения коррозионной стойкости материалов и сплавов, коррозионной стойкости и защитной способности средств противокоррозионной защиты:

- определения стойкости неметаллических образцов к климатическому старению;

- установления сроков сохранения свойств материалов и сохраняемости изделий, а также прогнозирования их показателей, в том числе гарантийных сроков хранения;

- установления климатической стойкости образцов в условиях воздействия климатических факторов;

- исследования характера и временного изменения показателей при воздействии климатических факторов;

- материалов и средств противокоррозионной защиты для их обоснованного выбора при конструктировании изделий и для разработки методов ускоренных испытаний;

- средств защиты неметаллических образцов от старения.

Устанавливаются три типа станций: наземные, береговые, надводные.

Наземные станции предназначены для испытаний образцов в атмосферных условиях климатических районов на суше.

Береговые станции - в атмосферных условиях у уреза воды океанов, морей и водоемов.

Надводные станции - в атмосферных условиях на пирсах и других площадках в морской воде и пресной воде водоемов.

Климатические станции осуществляют:

- проведение испытаний (экспозиция образцов, периодические осмотры, изменения и контроль и технических характеристик образцов в соответствии с программой испытаний, снятие с испытаний);

- проведение метеорологических наблюдений и обработку метеорологических данных;

- метрологическое обеспечение метеорологических наблюдений, изменения, испытания и контроля технических характеристик изделий и образцов;

- обработку результатов испытаний в соответствии с программой испытаний.

Станции должны иметь паспорт, содержащий наименование и ведомственную принадлежность:

- назначение и тип;

- географический пункт расположения;

- занимаемую площадь;

- данные о климатических характеристиках и коррозионной агрессивности атмосферы за период не менее пяти лет;

- данные о возможности испытания образцов по категориям размещения;

- сведения о специальном испытательном оборудовании;

- перечень сооружений с указанием площади;

- сведения о лабораторной базе (измерительная аппаратура, вспомогательное и лабораторное оборудование)

Наземные станции рекомендуется размещать на территории представительных или экстремальных пунктов климатических районов.

К участку выбираемому для размещения сооружений и оборудования наземных станций, предъявляются следующие требования:

- участок должен быть расположен на ровной площадке на естественном грунте с травяным покровом;

- на участке не должно быть водоемов, рек, застаивания талой и дождевой водой, создающей микроклимат, отличающийся от климата района;

- подъездные дороги к участку, а также дороги на его территории должны иметь искусственное покрытие - асфальтовое, бетонное, каменное и др.;

- участок не должен находиться вблизи источников загрязнения воздуха: вентиляционных участков предприятий и других устройств, выделяющихся большое количество водяного пара, сажи, углекислого, сернистого и других газов.

Береговые станции размещаются в климатических районах у уреза воды океанов, морей и водоемов.

Станции в соответствии с программой испытаний должны быть обеспечены необходимыми сооружениями, изготовленными из коррозионно-стойких материалов и защищенными средствами противокоррозионной защиты.

Наземные станции должны иметь сооружения для размещения образцов:

- открытые площадки с естественным грунтом и бетонированные;

- навесы;

- жалюзийное хранилище;

Открытые площадки с естественным грунтом и бетонированные должны быть удалены от одноэтажных зданий и деревьев на расстоянии не менее 10-кратной высоты этих объектов, от высоких объектов - на расстоянии не менее 20-кратной высоты.

Навес должен обеспечивать естественную цикруляцию воздуха и исключать попадание на образцы прямых солнечных лучей и атмосферных осадков.

Жалюзийное хранилище должно иметь размеры не менее 2х2х4 м, обеспечивать естественную циркуляцию воздуха, исключать попадание на образцы прямых солнечных лучей и атмосферных осадков, для чего стены его изготавливают в виде жалюзей; хранилище окрашивают в светлые тона, деревянный пол должен находиться на расстоянии не менее 20 см от земли.

Размеры сооружений для проведения испытаний и их количество для всех станций определяют объемом испытаний образцов.

На станциях должны быть помещения для проведения лабораторных работ, измерения технических характеристик образцов, оборудование в соответствии с требованиями стандартов на методы испытаний и измерений, в том числе и помещения с кондиционированным воздухом.

По ГОСТ 9.906 станции должны иметь:

- приборы для проведения комплекса метеорологических наблюдений в соответствии с таблицей;

Таблица 2.1

№ п/п	Изменяемые параметры	Частота или период фиксации (измерения) параметра	Вычисляемые данные по измеренным параметрам	Станции
1	Температура воздуха, °С	Ежесуточно непрерывно	Среднемесячная	Наземные, береговые и надводные стационарные
2	Относительная влажность, %	Ежесуточно в 0;6;12;18 ч или непрерывно	Среднемесячная	Наземные, береговые и надводные стационарные
3	Интенсивность и продолжительность воздействия атмосферных выпадаемых осадков, мм•ч-1, ч, мин	Ежесуточно непрерывно	Среднемесячная	Наземные, береговые и надводные
4	Продолжительность воздействия конденсированных осадков (роса), ч	Ежесуточно	За месяц, год	Наземные, береговые и надводные
5	Продолжительность солнечного сияния, ч	Ежесуточно	За месяц, год	Наземные, береговые и надводные стационарные
6	Интенсивность суммарного солнечного излучения, Дж• см-2• мин-1	Ежесуточно в 0;6;12;18 ч	Среднесуточная, среднемесячная	Наземные, береговые и надводные стационарные
7	Атмосферное давление, гПа	Ежесуточно в 0;6;12;18 ч	Среднемесячная	Наземные, береговые и надводные стационарные
8	Скорость ветра, м • с-1	Ежесуточно в 0;6;12;18 ч	Среднесуточная	Наземные, береговые и надводные стационарные
9	Массовая концентрация сернистого газа в воздухе, мг • м-3	8 раз в месяц	Среднемесячная, среднегодовая	Наземные, береговые и надводные
10	Массовая концентрация и массовая скорость оседания хлоридов в воздухе, мг • м-3	Ежесуточно	Среднемесячная	Наземные, береговые и надводные

- лабораторное оборудование для проведения анализа воздуха и воды, а также химико-аналитических работ, физико-химических, механических, металлографических, микробиологических, электрических испытаний, фоторабот и других в зависимости от программы испытаний;

При отсутствии на станциях необходимого оборудования для определения отдельных показателей испытуемых образцов допускается производить эти измерения в специализированных организациях.

В зависимости от программы испытаний станции должны иметь стенды для экспонирования образцов на открытых площадках и стеллажах для экспонирования образцов под навесом и в хранилищах.

Для испытания образцов применяют стенды с постоянным и (или) изменяемым углом наклона рамы к горизонту.

Расстояние от поверхности земли до нижнего конца стенда должно быть больше высоты уровня снежного покрова в месте его расположения, но не менее 0,8 м.

Стенды должны быть установлены так, чтобы в течение суток ни один стенд не затенялся другим стендом или объектом, а лицевые стороны их рам были обращены на юг.

Каркас и рамы всех стендов следует изготовлять из материалов, которые в выбранном климатическом районе мало подвержены коррозии или гниению.

Климатическая станция ФГУП «ВИАМ».

1. Московская климатическая станция.

Расположена на крыше 7-ми этажного лабораторного корпуса и классифицируется как станция, расположенная в промышленной (городской) зоне умеренного климата.

На станции имеется стенды, навес, жалюзийная будка. Станция оснащена импортным метеооборудованием для измерения метеопараметров.

Диапазоны и пределы допускаемых погрешностей измерения метеовеличин указаны в таблице.

Таблица 2.2

Измеримая величина	Диапазоны измерения	Предел допускаемой погрешности	Примечание
Атмосферное давление	От 600 до 1100 гПа	±0,5 гПа	Рабочий диапазон измерения 130 гПа
Температура воздуха	От -40°С до +50°С	±0,4°С
Относительная влажность	От 20 до 98%	±3%
Скорость ветра	От 0,5 до 60 м/с	± (0,5+0,05V) м/с
Направление ветра	От 0 до 360°	± 10
Количество осадков	0-9999 мм	± (0,1+0,02 Мизм) мм	Мизм - измерение величины осадков в мм
Солнечная радиация	0-1500 вт/м2 0-100 вт/м2 0-5 вт/м2	± 5 вт/м2 ± 1 вт/м2 ± 0,1 вт/м2	В диапазоне 300-3000нм В диапазоне 320-400нм В диапазоне 280-320нм

Совместно с фирмой ГУП «Мосэкомониторингом» была разработана система СКМП-2, предназначенная для автоматических измерений метеорологических параметров: температуры воздуха, относительной влажности воздуха, скорости и направления ветра, атмосферного давления, количества осадков, энергетической освещенности; их обработки и архивирования измерительной информации, формирования и вывода на печать отчетов за произвольный промежуток времени.

Система СКМП-2 производит автоматические непрерывные измерения и обработку следующих метеовеличин:

- атмосферное давление;

- температуру воздуха;

- относительной влажности воздуха;

- скорости ветра;

- направления ветра;

- количество и продолжительность осадков;

- суммарной солнечной радиации;

- ультрафиолетовой составляющей солнечной радиации.

В СКМП-2 обеспечен ручной ввод метеовеличин и информации необходимой для вычисления (определения) производимых метеовеличин.

В СКМП-2 обеспечивается:

- Автоматическая регистрация (запись в архив с возможностью печати на принтере) всей автоматически измеренной, введённой вручную, вычисленной и выдаваемой информации. Время хранения записанной в архив информации не менее 30 суток.

- Построение и печать графиков изменения температуры и относительной влажности, скорости и направление ветра, количества осадков, суммарной солнечной радиации и ее ультрафиолетовой составляющей.

- Ведение календаря и счёт времени с погрешностью не более ±5 сек в сутки, а также коррекцию счёта времени (при необходимости)

- Предварительный контроль и исправление (коррекцию) всей метеоинформации, выдаваемой на средства отображения и в линии связи.

- Печать отчетов метеорологических наблюдений и таблиц основных метеорологических данных за заданный промежуток времени.

В состав СКМП-2 входят следующие датчики метеовеличин.

Датчики температуры и влажности - ИПТВ-056, НМР45А/Д предназначены для автоматических измерений влажности и температуры воздуха в месте установки датчиков.

Они устанавливаются на метеоплощадке на основном пункте наблюдений в защите от солнечной радиации.

Датчик влажности ИПТВ-056 состоит из чувствительного элемента температуры (платинового термометра сопротивления) и влажности (тонкопленочного полимерного емкостного элемента)

Датчик влажности и температуры НМР 45А состоит из чувствительного элемента температуры (платинового термометра сопротивления Pt 100) и влажности (тонкоплёночного полимерного емкостного элемента НUМICAP).

Датчик параметров ветра - предназначен для непрерывных автоматических измерений мгновенной скорости и направления ветра в месте установки чувствительных элементов воздушного потока.

В качестве датчиков параметров ветра в СКМП-2 используются снинорумбограф M63-МР, а также датчики скорости WAA15A/151, направления ветра WAV15A/151.

Принцип работы их основан на использовании зависимости между скоростью ветра и числом оборотов винта, между направлением ветра и положением свободно ориентирующейся флюгарки датчика ветра. При этом скорость и направление ветра представляются в виде частоты следования и фазового сдвига последовательностей электрических импульсов, которые после дальнейших преобразований позволяют производить отсчёт параметров ветра.

Датчики атмосферного давления - предназначены для эпизодических автоматических и непрерывных измерений атмосферного давления в месте установки датчика.

Они устанавливаются на основном пункте наблюдений в рабочем помещении.

В качестве датчиков атмосферного давления СКМП-2 используются датчики давления С 115Х или РТВ-100, РТВ-200.

Модели предназначены для применения совместно с аналоговой измерительной системой, позволяющей записывать цифровые данные.

Барометр Сl15Х работает по пьезометрическому принципу. На сопротивляющуюся пластину накладывают слой, который деформируется из-за внешних воздействий и передает сигнал на сопротивляющуюся пластину, и как результат измеряется сопротивление системы.

Датчики осадков - С 101 А, RG 13 предназначены для автоматических и непрерывных измерений количества осадков.

Место установки должно быть открыто со всех сторон или удалено от посторонних предметов (стен, деревьев, заборов) на такое расстояние, чтобы вся вода попадала в воронку, особенно во время наклонного ливня.

В датчиках осадков используется опрокидывающейся лоточный механизм.

Механизм имеет чашки, разделенные по центру осью вращения. Жидкие осадки собираются в верхней половине чашки. Когда она наполняется количествам жидкости, эквивалентной 0,2 мм, механизм наклоняется и сливает накопленную жидкость, обеспечивая таким образом следующий слив осадков на другой половине.

Лоточный механизм имеет внутри корпуса воронку. К основанию воронки под соединено сифонное устройство для управления скоростью расхода в опрокидывающемся лотке.

Лоточный механизм соединен с магнитом, управляющим герконовым реле. Реле генерирует импульсы, которые могут быть подсчитаны внешними устройствами измерения: каждый импульс эквивалентен 0,2 мм осадков.

Датчик солнечной радиации. Датчики суммарной солнечной радиации C511R, СМ6В (300-3000нм) - позволяет измерить количество солнечной радиации непосредственно от солнца, а также отраженную от атмосферы и облаков.

Приборы имеют термослои и фотоэлектрические элементы (стандарт ISO 09060).

Датчики ультрофиолетовой части спектра C502UVА (320-400 нм) и C502UVВ (280-320 нм) - это чувствительные фотоэлементы с инерферентными ячейками.

2. Геленджикский центр климатических испытаний (ГЦКИ)

Напряду с влагой один из важнейших факторов, способствующих развитию коррозионных процессов, является содержание в воздухе ионов хлора. В Геленджикском филиале ВИАМ эти особенности климата проявлялись в высокой агрессивности по отношению к материалам различного класса, что подтверждено последующими многолетними экспериментами по изучению коррозии металлов, старения полимерных материалов и климатической стойкости элементов конструкций, соединений и систем защиты.

В ГЦКИ проводятся и будут проводится организованы следующие исследования:

- изучение коррозионной и климатической стойкости металлов;

- климатическое старение в свободном состоянии на открытых стендах и в условиях закрытого склада;

- испытания материалов и элементов конструкций под действием статических и динамических нагрузок;

- климатическое старение конструкций;

- экспозиция образцов материалов и конструкций в морской воде.

Геленджикский центр климатических испытаний расположен на юго-западном берегу Геленджикской бухты на расстоянии 20 м от уреза воды (согласно ГОСТ 9.906 он относится к береговому типу). По климатическим признакам Центр принадлежит к умеренно-теплому климату с мягкой зимой (ГОСТ 16350) и повышенной коррозионной активностью атмосферы (9 баллов по ГОСТ 9.039).

Геленджикский центр оснащен уникальной метеорологической автоматической станцией СКМП-2, имеющей сертификат Госстандарт России RU.С.28.001.(аналогичный метеокомплекс имеется на МЦКИ).

Для проведения натурных испытаний на ГЦКИ установлено 24 стенда для экспозиции образов материалов на открытых площадках, 8 стендов для экспозиции образов материалов и элементов в ангаре и под навесом (условия склада), пять стендов для экспозиции элементов конструкций, четыре стенда для экспонирования специзделий на закрытой площадке, а также четыре автоматизированные установки переменного погружения. Кроме этого, спроектирован совместно со специалистами ЦАГИ и изготовлен силовой пол площадью 200 м² для испытаний узлов и элементов конструкций в натурных условиях под нагрузкой с усилием до 20 тонн в точке.

Для проведения комплексных исследований материалов на ГЦКИ организовано шесть лабораторий:

- лаборатория механических испытаний, оснащенная испытательными машинами для испытаний на длительную прочность и ползучесть на воздухе и в коррозионной среде; маятниковым копром; твердомерами Бринелля и Роквелла;

- металлофизическая лаборатория, оснащенная инструментальным и бинокулярным микроскопами;

- лаборатория исследований покрытий, имеющая возможность оценки геометрических, механических и световых характеристик покрытий;

- электрохимическая лаборатория, оснащенная двумя аналоговыми и двумя цифровыми потенциостатами;

- термостатная, имеющая термостаты ЭКОЦЕЛЛ 222 и муфельную печь ПМ-10 для проведения термических и термовлажностных ускоренных испытаний в диапазоне температур от комнатной до 650°С с точностью поддержания температуры в соответствии с требованиями российских и международных стандартов;

- метрологическая лаборатория, оснащенная всем необходимым перечнем аттестованных приборов и образцов для оценки нагрузок (два динамометра), температур (термопары и потенциометры), размеров (набор линейно-угловых мер) и весов (весы и набор разновесов);

- участок подготовки образцов.

С учетом оснащенности ГЦКИ может быть использован для проведения следующих работ:

- разработка научно-методологической и экспериментальной базы проведения натурных испытаний материалов и изделий, в том числе под воздействием динамических нагрузок, в условиях атмосферы с повышенной коррозионной активностью и в морской среде;

- проведение натурных атмосферных испытаний материалов, средств защиты, узлов, элементов конструкций и изделий в свободном и сложнонапряженном состоянии и продление назначений сроков их службы;

- проведения испытаний материалов, средств защиты, узлов, элементов конструкций в морской среде;

- разработка требований при создании новых материалов, технологических процессов защиты изделий и конструкций, а также мероприятий по повышению климатической стойкости материалов и изделий на стадии их проектирования;

- создание методов прогнозирования работоспособности материалов в составе конструкций, эксплуатируемых в среде с повышенной коррозионной активностью, и выдача рекомендаций по ресурсу и срокам эксплуатации их в изделиях;

- разработка защитных материалов, технологических процессов, рекомендаций по защите изделий и конструкций, совершенствование регламентных работ по обслуживанию техники;

- создание банка данных по климатической стойкости материалов в условиях морской среды с повышенной коррозионной активностью.

коррозия старение металл атмосферный

Таблица 2.3

Станция, место расположения	Климат по ГОСТ 16350	Тип станции по ГОСТ 9.906	Средняя температура, °С	Средняя влажность ?, %	Количество осадков, мм/год	Радиация, МДж/м2	Количество хлоридов, мг/(м2 •сут)	Принадлежность
МЦКИ, г. Москва	Умеренный	Наземная (городская)	~7	~75	~650	~3000	-	ВИАМ
ГЦКИ, г. Геленджик	Умеренно-теплый с мягкой зимой	Береговая	~14	~72	~800	~5000	~23	ВИАМ
КИС, г. Якутск	Очень холодный	Наземная (городская)	~ (-10)	~65	~350	~3800	-	ИФТПС,РАН
Климатичсекая станция ГНИП РАН, г. Сочи	Теплый влажный	Береговая	~ 15	~78	~1400	~5200	~20	ГНИП, РАН
Климатическая станция пос. Зеленцы, (Мурманская область)	Умеренный морской	Береговая	~ 0	~82	~750	~1800	~30	ИФХ, РАН

Методы оценки коррозионного поведения металлов в атмосферных условиях.

Для оценки поведения металлов, сплавов и покрытий при испытании на коррозионных станциях широко применяются визуальный и весовой методы.

Визуальный метод. Для визуальной оценки кинетики коррозионного процесса образцы периодически осматриваются непосредственно на стендах. Наиболее рационально осматривать образцы через 1, 2, 3, 6, 9, 12, 36 месяцев с начала испытания.

При проведении промежуточных осмотров необходимо отмечать следующее: изменение цвета, потускнение поверхности; образование продуктов коррозии покрытия и основного металла; цвет продуктов коррозии, их распределение по поверхности, прочность сцепления с поверхностью; характер и размеры очагов коррозии на металле или покрытии.

Каждый раз осматриваются все выставленные параллельные образцы¹, и в журнале наблюдений записывается средняя характеристика внешнего вида всех образцов данного металла или покрытия. Полезно также делать зарисовки внешнего вида металла или покрытия с верхней и нижней стороны образцов. В журнал наблюдений записываются размеры очагов коррозии (диаметр, мм) или площадь очага коррозии (мм²), преимущественно встречающийся размер очагов коррозии и количество очагов коррозии на 1 см² или на 1 дм² поверхности. Если количество очагов коррозии столь велико, что подсчитать их трудно, то определяется ориентировочный процент поверхности, занятой продуктами коррозии.

Весовой метод. Помимо визуальных осмотров применяется весовой метод оценки коррозионного поведения металлов. Все образцы, выставляемые на испытания на коррозионных станциях, взвешиваются на аналитических весах или технических весах первого класса. После разных сроков испытания (обычно через 6, 12, 24 и 36 месяцев испытания) снимаются по 2-3 параллельных образца каждого варианта металла или покрытия. Снятые с испытания образцы взвешиваются дважды: первый раз - с продуктами коррозии и второй раз - после удаления продуктов коррозии.

Вес продуктов коррозии определяется из разности веса образца после испытания (с продуктами коррозии) Р и веса образца после удаления продуктов коррозии Р₁. Количество прокорродировавшего металла М определяется по разности начального веса образца Р₀ и веса образца после удаления продуктов коррозии Р₁:

М=Р₀ - Р₁ К=М/S

где К - коррозия, отнесенная к единице поверхности, г/м²; S - исследуемая поверхность, м².

Величина К достаточно однозначно характеризует среднюю величину коррозии металлов, сплавов и анодных (по отношению к основному металлу) покрытий, а также позволяет построить количественные кинетические кривые коррозия - время за разные сроки испытания. Расчет скорости коррозии К' производится по формуле:

где Т - время испытания.

Проникновение коррозии П вычисляется по формуле:

где К' - скорость коррозии, г/м²·год; ? - плотность металла, г/см³.

Следует указать, однако, на то, что полное удаление продуктов коррозии не всегда возможно. Это особенно характерно ·для образцов с катодными (по отношению к защищаемому металлу) покрытиями и объясняется тем, что продукты коррозии образуются под покрытиями, и удаление их очень затруднено. В этом случае изменение веса образцов не может однозначно характеризовать скорость коррозионного разрушения защищаемого металла или покрытия. Обычно образцы с катодными покрытиями в процессе испытания увеличиваются в весе, вследствие накопления продуктов коррозии основного металла под покрытием. Поэтому можно считать, что увеличение веса образца с катодным покрытием в первом приближении пропорционально коррозии основного металла. Данная закономерность сохраняется до тех пор, пока покрытие не начинает шелушиться на сравнительно больших участках поверхности.

Определение глубины и площади очагов коррозии. Наиболее просто глубина очагов коррозии определяется с помощью индикатора часового типа, дополненного устойчивой скобой и иглой. Этот способ дает несколько заниженные значения глубины очагов коррозии. Более точно глубина очагов коррозии может быть измерена оптическим методом при помощи двойного микроскопа Линника; наибольшая глубина, которая может быть измерена этим методом, составляет 1 мм. И наконец, можно применить микроскопическое исследование поперечных шлифов.

Определение изменения механических свойств. Для исследования изменения механических свойств металлов и сплавов в процессе коррозии из испытанных образцов размером 160 х 280 или 100 х 150 мм вырезаются стандартные образцы для механических испытаний. Готовые разрывные образцы на коррозионных станциях обычно не испытываются; испытания таких образцов не дают правильного представления о влиянии коррозии на механическую прочность металла, так как более интенсивная коррозия кромок образца искажает величину сечения, принимаемую для расчета.

Металлографические исследования. Этот метод широко используется для изучения механизма коррозионного разрушения металлов, сплавов и покрытий. Исследуются поперечные шлифы, изготовленные из образцов, снятых после различных сроков испытания. [1] (Г.К. Берукштис, Г.Б. Кларк «Коррозионная устойчивость металлов и металлических покрытий в атмосферных условиях» Издательство «Наука» г. Москва 1971 г.) стр. 16-32

III. Примеры изучения

Алюминиевые сплавы.

Алюминий и его сплавы находят широкое применение в области авиационной промышленности. Алюминий - легкий металл, имеет высокую прочность, обладает высокой пластичностью и малым удельным весом. А сплавы на основе Al обладают значительно более высокой прочностью. Алюминиевые сплавы хорошо прокатывается и штампуются в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются.

Для исследования коррозионного поведения сплавов выбраны типичные представители различных классов (систем):

Сплав В95Т1 Al-Cu-Mg-Zn (1,5%, 2,5%, 6,0%) термическая обработка сплава по режиму Т1 (искусственное старение при 120°С -24 часа),

Сплав 1973Т2 Al-Cu-Mg-Zn-Zr (1,5%, 2,5%, 6,0%, 0,2%) термическая обработка сплава по режиму Т2 (двухступенчатое искусственное старение при 120°с - 10 часов и 170°С - 10 часов),

Сплав 1450Т1 Al-Cu-Li-Mg (3,45%, 1,4%, 0,2%) термическая обработка сплава по режиму Т1(искусственное старение при 130°С - 9 часов + 170°С - 5 часов), полуфабрикатов без защитных c разными режимами термообработки.

Образцы сплавов были выставлены на экспозицию в различные климатические зоны умеренно теплый с мягкой зимой ГЦКИ г. Геленджик, умеренно влажный ГНИП РАН г. Сочи, умеренно морской влажный Дальние Зеленцы) и прошли испытания к настоящему моменту в течение 3 лет. Одновременно проводились испытания по ускоренным методикам (камера солевого тумана-КСТ ) в течение 1,3,6 месяцев.

Для определения общей коррозионной стойкости были изготовлены плоские (из листовых полуфабрикатов) образцы.

После экспозиции в течение 3-х лет были определены потери механических свойств и скорость коррозии. Данные приведены в таблицах

Таблица 3.1 Скорость коррозии алюминиевых сплавов в различных средах.

Сплав, п/ф, т/об	Время экспозиции, год	Скорость коррозии, г/м2 сутки
		КСТ	КС ГНИП РАН	ГЦКИ	КС ИФХ
1	2	3	4	5	6
В95Т1,плита	1 2 3	1,07 0,503 0,192	0,04 0,025 0,019	0,043 0,029 0,015	0,035 0,023 0,017
1450 Т1, плита	1 2 3	0,486 0,119 0,087	0,025 0,012 0,009	0,04 0,026 0,015	0,080 0,050 0,035
1973Т2,плита	1 2	0,775 0,291 0,112	0,019 0,010 0,005	0,030 0,018 0,011	0,045 0,027 0,020



ВЫВОДЫ: Скорость коррозии наиболее большая в умеренно морском влажном климате (ГНИП РАН) за счет наибольшего количества выпадения хлоридов и длительного увлажнения на поверхности металла. В умеренно теплый с мягкой зимой ГЦКИ и умеренно влажный ГНИП РАН скорость коррозии близка друг к другу.

Сплав В95Т1 менее коррозионностойкий так как режим старения приводит к увеличению прочности и к уменьшению коррозионностойкости. Поэтому скорость коррозии как при ускоренных испытаниях так и в натурных условиях выше у сплавов 1450Т1 и 1973Т2.

Сплавы 1450Т1 и 1973Т2 обрабатывались по смягченному режиму старения при этом коррозионностойкость возрастает при одновременном некотором снижении прочности.

Таблица 3.2 Потери механических свойств алюминиевых сплавов после коррозионных испытаний.

Сплав, п/ф, т/об	Время экспозиции, год	Потери прочности при растяжении, %
		КСТ	КС ГНИП РАН	КС ИФХ
1	2	3	4	5
В95Т1, плита	1 2 3	10 10,2 9,7	6,9 8,7 11,3	8,9 11,5 14,5
1450 Т1, плита	1 2 3	7,1 13,4 21,3	2,9 4,8 7,3	8,5 9,3 11,5
1973Т2,плита	1 2 3	2,1 6,5 10,1	3,5 6,3 8,5	7,7 9 11,5



ВЫВОДЫ: ход кривых потери прочности сплавов В95Т1, 1450Т1 и 1973Т2 аналогичен ходу кривых скорости коррозии. Т.е. питтинговая коррозия характерная для исследований алюминиевых сплавов протекает с той же интенсивностью как и общая коррозия.

Так же нами были исследованы новый высокопрочный алюминиевый сплав 1370 и штатный сплав Д16Т в условиях умеренно теплом с мягкой зимой климате ГЦКИ и умеренно морском влажном климате ИФХ на открытой площадке, а также под навесом с искусственным обрызгиванием морской водой и без обрызгивания. Образцы без защитных покрытий, а также химически оксидированные сплавы и анодированные сплавы.

а) Сплавы без защитного покрытия.

На сплавах Д16Т и 1370 временная последовательность развития отдельных стадий коррозионного процесса в открытой атмосфере и в укрытии под навесом почти одинакова. Уже через 2-3 недели на них виден белый налет точечных продуктов, а через месяц формируются локальные объемные солевые образования. Во времени их численность существенно возрастает; увеличиваясь в размерах, они смыкаются и становятся визуально различимы как пятна (через 6 мес.), занимающие ?50% и 60-90% площади поверхности образца после 9- и 12-месячной экспозиции соответственно.

После года испытаний сплава Д16Т на открытом воздухе на нем выявлены неглубокие питтинги, на сплаве 1370 - мелкие вздутия, вызванные, возможно, начальной стадией развития подповерхностной коррозии. Образование на сплавах Д16Т и 1370 белых продуктов в виде налета идет быстрее в условиях полузакрытой атмосферы (навес).

Число возникающих локальных солевых продуктов на обратной (обращенной к земле) стороне образца заметно больше, чем на лицевой (обращенной к небу) стороне. Это заключение справедливо и в отношении питтингов на сплаве 1370: на обратной стороне образцов количество фиксируемых питтингов и их диаметр явно больше.

Из сопоставительного анализа годового хода изменчивости климатических параметров и засоленности атмосферы на станции ИФХ , соотнесенных с зарегистрированными морфологическими особенностями, следует, что коррозионный процесс на алюминиевых сплавах без защитных покрытий, развивается непрерывно и существенно, несмотря на то, что в течение полугода (начиная со второго по восьмой месяц, если их отсчитывать по порядку от начала экспозиции) температура воздуха была отрицательна и сплавы не могли увлажняться дождями. Тем не менее, относительная влажность воздуха RH все время превышала критическое значение (принимаемое обычно равным RH =70%), а поступление хлоридов к металлической поверхности не прерывалось. Эти два воздействующих фактора благоприятствовали образованию тонкой адсорбционной пленки соленого электролита (эквивалентной по толщине 10-15-ти мономолекулярным слоям воды или даже больше, остающейся жидкой на металле. Хлорид-ионы стимулировали прогресс коррозии сплавов. В теплый период года в ИФХ идущие дожди характеризуются малой интенсивностью: 0.2-0.5 мм/час. Они не полностью растворяют и смывают хлориды, попадающие на поверхность сплавов, тем самым процесс активного разрушения сплавов фактически не прерывается.

б) Химически оксидированые сплавы.

Полученное химическим оксидированием защитное покрытие на сплавах алюминия существенно удлиняет время до появления на них заметных коррозионных изменений. На мелкая сыпь белых точечных продуктов обнаруживалась через 9 мес.. После года испытаний эта сыпь на сплаве 1370 заполнила ?80% площади поверхности, а на сплавах Д16Т - от 10 до 50%. Лишь на сплаве Д16Т, испытанного под навесом, наблюдался питтинг. Химические окисные покрытия обладают слабыми защитными свойствами. Коррозионные поражения на образцах с химическим окисным покрытием ( табл.9) , за 1 год испытаний , составляют по площади 25 - 50 %, глубина коррозии, по сравнению с незащищенными образцами, несколько снижается , но остается довольно значительной.

в) Анодированые сплавы.

Анодированный сплав 1370 в течение всего года оставались по внешнему виду без изменений, но на сплаве Д16Т появились отдельные темные пятна.

Таким образом, из числа испытанных вариантов противокоррозионной защиты анодированные сплавы, в сравнении с химически оксидированными, более стойки, особенно в условиях, создающихся под искусственным укрытием-навесом.

Проведен анализ результатов испытаний алюминиевых сплавов после экспозиции в натурных условиях в течение 1 года по скорости и глубине коррозии, потере механических свойств (таблицы 8, 9, рис. 10, 11, 12)

Сплав Д16Т

- при испытании на ГЦКИ после экспозиции под навесом потери прочности (?_в) в 2 - 3 раза выше, чем при испытании на открытой площадке; потери относительного удлинения (?) в числовом выражении значительно выше (достигают 70 %), но в зависимости от места экспозиции (навес или открытая площадка) меняются незначительно (в 1,4 раза выше под навесом с обливом);

- при испытаниях на ИФХ потери ?_в и ? более высокие по сравнению с ГЦКИ (в 1,5 - 2 раза выше) потери ? достигают 90% при испытании под навесом;

- скорости коррозии при испытании на открытой площадке без обрызгивания морской водой в 22,5 раза ниже, чем при испытании под навесом с обрызгиванием морской водой.

Сплав 1370Т1

- потери относительного удлинения практически одинаково высокие (77 - 80 %)во всех условиях экспозиции на ГЦКИ и увеличиваются до 90% при испытаниях на ИФХ;

- потери прочности несколько ниже при испытании на открытой площадке без обрызгивании морской водой (16 % на ГЦКИ и 22% на ИФХ) в остальных условиях на ГЦКИ потери ?_в = 21-23%, на ИФХ потери ?_в =26,6%;

- скорость коррозии наименьшая при испытании на открытой площадке без обрызгивании морской водой и составляет 0,014 г/м²·сутки в ГЦКИ и 0,018 г/м²·сутки на ИФХ; при испытании под навесом с обрызгиванием морской водой на ГЦКИ скорость коррозии увеличивается до 0,023 г/м²·сутки.

Сопоставление результатов коррозионной стойкости сплавов Д16Т и 1370Т1 одинаковой толщины (1,5 мм) в тех же условиях экспозиции (рис. 11 и 12) показывает, что сплав Д16Т имеет преимущества по сравнению со сплавом 1370Т1 по потере прочности на 3 - 12 %, по потере пластичности на 1 - 27 %.