Elektrochemische und trockene Sandschlagerosionsstudien an Kohlenstoffstahl

May 08, 2023

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 16583 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Diese Studie untersuchte die Trocken- und Wassererosion von Weichstahl mithilfe elektrochemischer und trockener Sandaufpralltechniken. In Trockensand-Aufprallexperimenten wurde Baustahl mit 45 μm und 150 μm großen Sandpartikeln erodiert. Rasterelektronenmikroskopie (SEM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und Mikrohärtetechniken wurden verwendet, um die Oberflächenmorphologie der erodierten Proben zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Veränderung der Morphologie der erodierten Proben. Eine eingehende Analyse ergab, dass zwar der Metallabtrag durch größere Partikel deutlich höher ausfiel, die Feinanteile jedoch auch die Metalloberfläche deutlich beschädigten. Mit der Verringerung des Auftreffwinkels der beschleunigten Partikel wurden die Oberflächenschäden deutlich verringert. Die maximalen Schäden wurden bei einem Aufprallwinkel von 90° beobachtet. Die Härte der mit 45 μm und 150 μm Sand behandelten Proben blieb im Bereich von 88,34 bis 102,31 VHN bzw. 87,7 bis 97,55 VHN. In elektrochemischen Experimenten wurde dem Metallbehandlungsprozess eine Dreifachelektrodensonde hinzugefügt. Die Messungen des linearen Polarisationswiderstands (LPR) wurden in Aufschlämmungen mit 5 % (Gewichtsprozent) Sandpartikeln durchgeführt. Der LPR der mit Sandaufschlämmungen von 45 μm und 150 μm behandelten Proben wurde zu etwa 949 Ω.cm2 bzw. 809 Ω.cm2 berechnet.

Erosion wird im Allgemeinen als Materialverlust von der Metalloberfläche definiert, die durch eine fließende Flüssigkeit, die winzige Feststoffpartikel mit sich führt, durch eine Abfolge mechanischer Einwirkungen auf sie einwirkt1,2. Die Beziehung zwischen verschiedenen Definitionen der Erosion bezieht sich tatsächlich auf die Erosion von Metallen durch verschiedene Schädigungsmechanismen. In der Öl- und Gasindustrie kommt es in vielen Fällen zu Leckunfällen, die auf die Erosion von Metallen durch groben Sand und Feinstaub zurückzuführen sind2,3. In einigen Fällen kommt es zu Todesfällen, da unter hohem Druck stehendes Erdgas aus den Produktionsflussleitungen austritt, was zu Explosionen führen kann, wie in Abb. 1 dargestellt.

Ausfall durch Sandeinwirkungserosion des Weichstahls.

Das aus dem Bohrloch geförderte Öl und Gas ist zwangsläufig mit Sand und anderen festen Partikeln verunreinigt. Die unerwünschten Trümmer sind die Hauptursache für eine Reihe von Strömungsversicherungsproblemen in der Öl- und Gasindustrie. Auch Schäden an Armaturen und Rohrleitungen sind Folgen der Sandschlagerosion. Wenn die Erosion nicht richtig vorhergesagt, überwacht und kontrolliert wird, kann sie den gesamten Produktionsprozess beeinträchtigen. In einigen Fällen kann es dazu führen, dass der Prozess für einen längeren Zeitraum heruntergefahren wird. Daher ist es wichtig, die Sandschlagerosion zu verstehen und vorherzusagen, um Rohrleitungen und Geräte ordnungsgemäß vor ihren potenziellen Gefahren zu schützen3.

Der Erosionsprozess wird weiter in Versuchserosion und Wassererosion unterteilt. Diese Studie befasst sich sowohl mit trockenen als auch mit wässrigen Erosionsvorgängen. Bei der wässrigen Erosion wird das Material entweder durch Blasenkollaps oder durch Auftreffen flüssiger/fester Partikel entfernt. Im vorliegenden Fall wurde die Erosion von Weichstahl in einer Sandaufschlämmung mit 5 Gewichtsprozent und in einer trockenen Sandaufprallumgebung mit zwei Partikelgrößen durchgeführt. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die Erosion normalerweise am stärksten ist, wenn Sand in der Flüssigkeit vorhanden ist. Die Schlamm- oder Wassererosion ist auch ein großes Problem bei Wasserturbinen und anderen Fluidmaschinen, wo erodierende Feststoffpartikel, die in der Flüssigkeit mitgeführt werden, auf die Metalloberfläche treffen und deren Zersetzung verursachen3,4.

Eine elektrochemische Reaktion verschlechtert die Oberfläche des Materials durch Erosion und Korrosion, während die mechanische Kraft der Feststoffpartikel die Oberfläche durch Erosion beschädigt. In einem wässrigen Medium oder einer wässrigen Aufschlämmung ist die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion für passives Material relativ geringer als die des Stroms, der die Feststoffpartikel transportiert5. Die strömenden Flüssigkeiten können die Passivschichten ganz oder teilweise schädigen. Die Oberflächenerosion hängt jedoch im Wesentlichen von der Geschwindigkeit der Feststoffpartikel, dem Aufprallwinkel, der mechanischen Festigkeit und der Schärfe der am Prozess beteiligten Partikel ab. Das Aufbrechen passiver Filme führt zur Depassivierung der Oberfläche, wodurch die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion aufgrund der Repassivierung und der metallischen Auflösung zunimmt. Allerdings können sehr kürzere Aufprallperioden und stark lokalisierte Verformungen zu einem komplizierten Aufprallphänomen führen3,4,5.

Dieser Artikel befasst sich mit der trockenen und wässrigen Erosion von Weichstahl mittels Sandbeschuss und elektrochemischen Techniken. Die Motivation für die Durchführung dieser Arbeit bestand in erster Linie darin, den Einfluss der Sandpartikelgröße auf die Weichstahlerosion mithilfe zweier verschiedener Techniken zu quantifizieren. In früheren Berichten wurde selten beobachtet, dass die Forscher beide Techniken gleichzeitig zur Untersuchung der Sandeinschlagerosion in Produktionsflusslinien verwendeten. Die vorliegende Arbeit war ein Versuch, die bestehende Forschungslücke zu schließen. Die elektrochemischen Tests wurden mithilfe eines Schlammtopf-Erosionsmechanismus durchgeführt, während die Trockenerosionstests durch Beschleunigung und Beschuss der Sandpartikel auf den Stahlproben in einer Trockenkammer durchgeführt wurden. Ziel der Arbeit war es zu untersuchen, wie der Sand die Fließlinien erodiert. Es gibt mehrere Parameter, die die Erosion der Metalloberfläche beeinflussen können, wie z. B. Luftgeschwindigkeit, Sanddurchflussrate, Aufprallwinkel, Sandgewichtsprozentsatz in der Aufschlämmung und Abstand der Zieloberfläche von der Düse. Hierin wurde der Einfluss der Sandpartikelgröße, des Aufprallwinkels, des Gewichtsprozentsatzes und des Düsenabstands auf die Erosion des Weichstahls durch SEM-, EDX-, LPR-Messungen und Mikrohärtetests untersucht.

Zur Klassifizierung der Größe der Sandpartikel wurde ein Trockensiebverfahren eingesetzt. Diese Analysen wurden unter Verwendung eines Siebsatzes mit allmählich abnehmender Siebgröße durchgeführt. Eine schematische Darstellung der Anordnung der für die Trockensandsiebung verwendeten Siebe ist in Abb. 2 dargestellt. Der getrocknete Sand wurde durch einen gestapelten Satz Siebe mit den folgenden Maschenweiten geleitet: 1,18 mm, 600 μm, 425 μm, 300 μm, 212 μm, 150 μm, 63 μm und 45 μm. Die Formationsprobe wurde oben auf die Maschenreihe gelegt und durch die Siebe gesickert, bis sie dem Sieb mit Öffnungen gegenüberstand, die kleiner als die Korngröße waren. Um die Sandkörner dabei zu unterstützen, durch und auf die verschiedenen Maschensiebe zu sickern, wurden mechanische Vibrationen angewendet. Mit dieser Methode wurden grobe und feine Sandproben mit einer durchschnittlichen Größe von 45 μm bzw. 150 μm erhalten.

Schematische Darstellung der Anordnung der Siebe zur Trockensandsiebung.

Der Sandtyp war Sandstein, ein klastisches Sedimentgestein aus sandgroßen Partikeln. Es wurde als Erosionsmittel für die Erosion von Flusslinien verwendet. Die 5 mm dicken Weichstahlplatten wurden sowohl mit groben als auch mit feinen Sandpartikeln beschossen. Diese Platten stellten die Innenfläche der Produktionsflusslinie dar. Die chemische Zusammensetzung von S45C-Kohlenstoffstahl betrug 0,42–0,48 % Kohlenstoff, 0,15–0,35 % Silizium, 0,6–0,9 % Mangan, maximal 0,030 % Phosphor und maximal 0,035 % Schwefel. Das Schema des Versuchsaufbaus für die Schlagerosion mit trockenem Sand ist in Abb. 3 dargestellt. Ein Prüfstand für den Schlag mit trockenem Sand wurde entworfen und gebaut, um die Experimente in Luft bei Raumtemperatur (24 °C) und Atmosphärendruck (1 atm) durchzuführen. Der Testabschnitt der Anlage war eine transparente Acrylbox. Die Weichstahlproben wurden am Ausgang der gemäß den ASTM-Richtlinien konstruierten Düse montiert. Das Luft-Sand-Gemisch wurde durch eine Düse auf die erforderliche Geschwindigkeit beschleunigt. Das Luftgebläse war in der Lage, Luft mit einer maximalen Durchflussrate von 120 m3/h zu liefern. Die Luftströmungsgeschwindigkeit wurde auf 20 m/s festgelegt und Stahlplatten wurden in Aufprallwinkeln von 30°, 45°, 60°, 75° und 90° mit Sand beschossen. Die Sanddurchflussrate wurde im Verlauf des aktuellen Experiments auf 1 kg/h festgelegt. Der Abstand zwischen Stahlplatte und Düse wurde auf 10 cm festgelegt. Die Oberflächenmorphologie und Zusammensetzung der unbehandelten und mit trockenem Sand behandelten Proben wurden mithilfe von SEM, EDX und Vicker-Härtezahl (VHN) ermittelt.

Schematische Darstellung des selbstgebauten Erosionsprüfstandes.

Die elektrochemischen Tests zur Sandschlagerosion-Korrosion des Weichstahls wurden unter Verwendung eines Schlammtopf-Erosionsmechanismus durchgeführt. Eine auf Polarisationswiderstandsmessungen basierende Gleichstromtechnik wurde verwendet, um die Oberflächenschädigung des Weichstahls in den Mischungen aus Leitungswasser und Sand mit 1 Gew.-% Natriumchlorid (NaCl) zu bewerten. Der Sandanteil in der Aufschlämmung wurde auf 5 Gew.-% festgelegt. Die LPR-Messtechnik war ein typischer Versuchsaufbau bestehend aus einer Zelle mit drei Elektroden. Der Weg zur Polarisationswiderstandsmessung ist in Abb. 4 zusammengefasst. Die LPR-Messungen wurden verwendet, um In-situ-Erosions-Korrosions-Ergebnisse zu erhalten. Ein Dreifachelektrodensystem wurde aus einer Probe als Arbeitselektrode, einer Gegenelektrode und einer Referenzelektrode gebildet und der Potentiostat zur Datenerfassung mit einem Computer verbunden. Die Probenelektrode wurde polarisiert und der entsprechende Stromfluss zwischen der Gegen- und der Arbeitselektrode wurde aufgezeichnet.

Zusammenfassung der möglichen elektrochemischen Messkurven.

Die Probenpolarisation wurde durch den Potentiostat gesteuert, der der Arbeitselektrode oder Gegenelektrode Elektronen zuführte. Die elektrische Neutralität der Elektroden und Elektrolyte wurde durch die Reaktion der Ionen auf die Elektrodenpolarisierung aufrechterhalten. Auch elektrochemisch aktive Spezies wurden zum Zähler bewegt und reagierten mit den vom Potentiostat gelieferten Elektronen. Dabei basierte die Gleichstrompolarisierung der Probe auf einer Änderung des Potenzials der Arbeitselektrode und der Messung der jeweiligen erzeugten Ströme als Funktion des Potenzials. Die entsprechenden Polarisationskurven wurden im Potentialbereich von −20 bis +20 mV mit einer Scanrate von 1 mV/min erhalten. Anhand dieser Daten wurden LPR-Messungen an Weichstahl in Aufschlämmungen mit Sandpartikeln von 45 μm und 150 μm durchgeführt. Ähnlich wie die Trockensand-Schlagerosionstests wurden auch die elektrochemischen Experimente für einen festen Zeitraum von einer Stunde durchgeführt.

Im Laufe der Jahre wurde angenommen, dass die Feinpartikel im Bereich von 50–75 μm das Metall aufgrund kleinerer Partikelgrößen und schwacher Wirkung auf die Zieloberfläche nicht wesentlich erodieren. Es wurde jedoch beobachtet, dass die feinen Partikel durch die meisten Sandsiebe entweichen können, was sie bei der Öl- und Gasförderung nahezu unvermeidlich macht. Diese Feinanteile können die Anlagen an Orten, an die grober Sand unter normalen Umständen nicht gelangen kann, schwer beschädigen4,5. Die Beweise aus der Öl- und Gasindustrie belegen, dass der Sand eine der Hauptursachen für Pipeline-Erosion ist. In der vorliegenden Arbeit wurde die trockene und wässrige Sanderosion des Weichstahls untersucht, um die Sanderosion in den Produktionsflusslinien besser zu verstehen.

Die erodierten Sandpartikel wurden in der Stadt Bandar Seri Iskandar im Bundesstaat Perak auf der malaysischen Halbinsel gesammelt. Die Zusammensetzung der Sandproben wurde mittels EDX-Analyse gemessen. Abbildung 5 zeigt den EDX-Scan und das Spektrum einer groben Sandprobe, die zur Klassifizierung der Korngrößen weiter verfeinert wurde. Die EDX-Analyse bestätigte das Vorhandensein von Aluminium, Silizium, Phosphor und Kohlenstoff in der erodierten Sandprobe. Es wurde angenommen, dass das Vorhandensein von Stickstoff, Sauerstoff und Fluor in der Probe auf die umgebende Luft zurückzuführen ist6,7.

EDX-Scan und Spektrum des Grubensandes.

Die abrasiven Erosionsuntersuchungen an Baustahl, die mit der Trockensand-Aufprallmethode bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck durchgeführt wurden, sind in den Abbildungen 6 und 7 dargestellt. Es handelte sich eher um ein physikalisches Phänomen als um einen chemischen Prozess. Abbildung 6 zeigt EDX-Spektren von unbehandelten und behandelten Weichstahlproben, die in diesen Experimenten als Metallproben verwendet wurden. Abbildung 6a zeigt, dass die unbehandelte Probe nur aus Kohlenstoff, Eisen und Stickstoff bestand. Abbildung 6b zeigt das EDX-Spektrum der Metallplatte nach dem Erosionsexperiment. Die Zusammensetzung der erodierten Platte wurde bei diesen Untersuchungen deutlich verändert. Es zeigt sich, dass einige der erodierenden Partikel während des Sandaufpralls in die Metalloberfläche diffundierten. Die Metallzusammensetzung nach der Behandlung wurde auf Kohlenstoff, Silizium, Ferum, Aluminium und Phosphor geändert. Es wurde festgestellt, dass die Sandeinschlagerosion auch die Zusammensetzung der Metallproben verändert8,9,10.

EDX des Weichstahls (6a) unbehandelt und (6b) behandelt.

REM-Bilder des Weichstahls, erodiert mit (7a) 150 μm großen Partikeln bei einem Aufprallwinkel von 90°, (7b) 45 μm großen Partikeln bei einem Aufprallwinkel von 90°, (7c) 150 μm großen Partikeln bei einem Aufprallwinkel von 45° und (7d) 45 μm Partikel bei einem Auftreffwinkel von 45°.

In früheren Studien wurde berichtet, dass die Partikelgröße die Erosion der Metalloberfläche erheblich beeinflusst, indem sie die Anzahl der Partikel bestimmt, die auf die feste Oberfläche auftreffen7,8,9,10. Die Partikel unter 10 Mikrometer werden mit dem flüssigen Medium transportiert und treffen selten auf die Wand. Größere Partikel bewegen sich jedoch wahrscheinlich in einer geraden Linie und prallen von den Wänden ab. Die größeren Partikel mit einer Größe über 1 mm bewegen sich langsam und setzen sich normalerweise aus der Flüssigkeit ab, sodass sie die Oberfläche nicht wesentlich schädigen. Es gibt auch nur wenige Hinweise darauf, dass Partikel mit scharfen Kanten mehr Schaden anrichten als solche mit abgerundeten Formen9,10,11. Es wäre jedoch schwierig, Rückschlüsse auf die Auswirkung der Variabilität der Schärfe und Härte des Sandes auf die Erosionsrate in verschiedenen Produktionsbohrungen und -feldern zu ziehen9,10. Aufgrund der scharfen Oberflächen können die bei den jeweiligen Arbeiten verwendeten Sandpartikel für die Produktionsleitungen tödlicher sein.

REM-Aufnahmen von Weichstahlproben, die eine Stunde lang mit 45 μm- und 150 μm großen Sandpartikeln in verschiedenen Aufprallwinkeln beschossen wurden, sind in Abb. 7 dargestellt. Die unbehandelten Proben waren polierte Proben und nahezu frei von Kratzern und rauen Stellen, wie im Einschub von Abb. gezeigt . 6a. Nach Erosionsexperimenten wurden die Zielbereiche der Proben in dunkle Kreise verwandelt, was die hohe Oberflächenrauheit verriet. Der Grad der Oberflächenrauheit hing stark von der Partikelgröße und dem Aufprallwinkel ab. Es wurde ein starker Zusammenhang zwischen der Partikelgröße und der Größe der Schadensnarbe auf der Metalloberfläche festgestellt9,10. Der grobe Sand erodierte das Metall stärker als die feinen Partikel.

Es wurde festgestellt, dass die Kollisionseffizienz mit abnehmender Partikelgröße abnimmt10,11,12. Quantitativ lässt sich der Rückgang der Kollisionseffizienz und damit der Erosion auf die geringere Trägheit der kleineren Partikel zurückführen, die nicht gezwungen sind, der Luft zu folgen, die sich auf ihrem Weg um einen Körper bewegt. Daher haben die größeren Partikel eine höhere Trägheit und einen höheren Impuls, um auf die Metalloberfläche zu treffen und eine erhebliche Erosion zu verursachen. Die präsentierten Ergebnisse belegen jedoch, dass die feinen Partikel auch dann eine erhebliche Erosion der Metalloberfläche verursachen können, selbst wenn die Masse der feinen Partikel im Vergleich zu grobem Sand geringer ist. Daher können die Oberflächenschäden durch die feinen Partikel in den Bereichen, in die grober Sand normalerweise nicht gelangt, deutlich höher ausfallen.

Die REM-Bilder in Abb. 7 zeigen auch die Auswirkung des Aufprallwinkels auf Oberflächenschäden. Der stärkste Metallabtrag wurde beim Aufprallwinkel von 90° festgestellt, der durch Verringern des Aufprallwinkels in Schritten von 15° schrittweise auf 30° verringert wurde. Bei 90° zeigten die beschleunigten Partikel keinerlei Winkelverschiebung und übertrugen maximale Energie auf die Metalloberfläche. Bei kleineren Aufprallwinkeln zeigten die Sandpartikel jedoch aufgrund der tangentialen Bahn, die durch die geneigte Metalloberfläche erzeugt wurde, eine Winkelverschiebung. Die Partikelaufprallkraft wurde in axiale und radiale Komponenten aufgeteilt. Dabei trug nur die axiale Komponente zur Energieübertragung von Sandpartikeln auf die Metalloberfläche bei. Dadurch wurde der Sandeinschlag und damit die Oberflächenerosion reduziert.

Die Mikrohärte der behandelten Stahlproben als Funktion des Aufprallwinkels ist in Abb. 8 dargestellt. Die Härte des Weichstahls zeigte einen zunehmenden Trend mit dem Aufprallwinkel. Die Gesamthärte der mit 150 μm und 45 μm großen Sandproben behandelten Proben lag im Bereich von 87,7 bis 97,55 VHN bzw. 88,34 bis 102,31 VHN. Es zeigt sich, dass die Härte und Dichte der Sandpartikel, die auf die Metalloberfläche aufprallten, ausreichend höher waren, um eine plastische Verformung und Entwicklung der Mikrostrukturen an der Probenoberfläche auszulösen. Die erhöhte Härte der mit 45 μm behandelten Proben zeigt, dass die kleineren Partikel beim Aufprall auf die Oberfläche feine Körner, Marderstellen und Eigenspannungen bildeten, die anschließend die Mikrohärte unter der Oberfläche erhöhten13.

Die Mikrohärte der Stahlproben erodierte bei verschiedenen Aufprallwinkeln.

Zusätzlich zur Trockensanderosion wurde auch die wässrige Erosion des Weichstahls mit einer elektrochemischen Technik untersucht. Die LPR-Überwachung ist eine effektive elektrochemische Technik, die zur Bewertung der Erosion-Korrosion der Metalle eingesetzt wird. Dabei wird der Zusammenhang zwischen dem durch die Elektronen erzeugten Strom und dem elektrochemischen Potenzial überwacht. Zur Messung der Korrosionsraten werden die entsprechenden LPR-Kurven verwendet. In diesem Zusammenhang variiert der Polarisationswiderstand umgekehrt mit der Korrosionsrate. In dieser Studie wurde dem Weichstahl-Erosionsprozess eine Dreifachelektrodensonde hinzugefügt. Die Elektroden waren elektrisch voneinander und von der Prozessleitung isoliert3. Zwischen den Elektroden wurde ein kleines Potential (im Bereich von 20 mV) angelegt, ohne den Korrosionsprozess zu beeinflussen. Der entsprechende Strom wurde überwacht und gemessen. LPR, das Verhältnis des angelegten Potentials und des Stroms zwischen den Elektroden, wurde für Weichstahlproben in Aufschlämmungen mit 5 Gew.-% 45 μm- und 150 μm großen Sandpartikeln gemessen.

Abbildung 9 zeigt LPR-Kurven des Weichstahls, der in Aufschlämmungen mit Sandpartikeln von 45 μm und 150 μm korrodiert ist. Das Polarisationsverhalten des Weichstahls in Sandschlämmen mit 45 μm und 150 μm betrug etwa 0,29 bzw. 0,34 mm/Jahr. Diese Ergebnisse ließen hohe Oberflächenschäden aufgrund größerer Partikel vorhersehen, die in diesen Experimenten erwartet wurden. Die Korrosion der Weichstahlproben wurde anhand des Polarisationswiderstands (Ω.cm2) der Strom-Potential-Dichtekurven erklärt. Dabei wurde der Polarisationswiderstand der Proben anhand der Gleichung3,14 berechnet:

Polarisationskurven von Baustahl, der mit Sandaufschlämmungen von 45 μm und 150 μm behandelt wurde.

Aus dieser Gleichung wurde der Polarisationswiderstand der Proben in 45 μm- und 150 μm-Sandaufschlämmungen zu etwa 949 Ω.cm2 bzw. 809 Ω.cm2 berechnet. Eine Abnahme des LPR der Proben deutet im Allgemeinen auf eine Abnahme des Polarisationswiderstands bei Vorhandensein größerer Partikel in der Aufschlämmung hin. Dieser Trend zeigt, dass das Metall unter höheren Korrosionsraten in den Flüssigkeiten leiden würde, die die größeren Feststoffpartikel enthalten. Der beobachtete Trend der Polarisationsbeständigkeit kann anhand der Stabilität der außen gebildeten Korrosionsproduktschicht erklärt werden. Der LPR bleibt mehr oder weniger konstant, wenn die Produktschicht stabil ist und sich nicht von der Metalloberfläche lösen lässt. Der LPR-Wert schwankt jedoch, wenn die Produktschicht nicht stabil ist. Dabei bildet sich die Schicht und löst sich wieder von der Metalloberfläche14.

Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass die Dichte und Schärfe der in dieser Studie verwendeten Sandpartikel ausreichend höher waren, um die Verformung und Entwicklung der Mikrostrukturen an der Stahloberfläche auszulösen. Bei Vorhandensein mechanisch härterer und größerer Partikel im Flüssigkeitsstrom unterliegen die Strömungslinien im Vergleich zu relativ weicheren und kleineren Partikeln einer höheren Korrosionsrate. Die gesamte wässrige Erosion des Weichstahls aufgrund der elektrochemischen Reaktion bleibt relativ geringer als die des Stroms, der die Feststoffpartikel transportiert.

Der sandtragende Fluss kann die Metalloberfläche je nach Geschwindigkeit, Aufprallwinkel, mechanischer Festigkeit und Schärfe der am Erosionsprozess beteiligten Feststoffpartikel ganz oder teilweise beschädigen. In Ermangelung eines genauen Überwachungssystems oder Vorhersagemodells wäre daher eine routinemäßige Überwachung der Fließliniendicke erforderlich, um vor Erosionsschäden oder einem drohenden Verlust der Sicherheitsbehälter zu warnen. Hierzu können auch die Opfergutscheine genutzt werden.

Obwohl der zu erwartende Metallabtrag aufgrund der größeren Partikel höher war, können auch die feinen Partikel die Metalloberfläche erheblich schädigen. Die Härte der mit kleineren Partikeln behandelten Proben stimmte weitgehend mit der der mit größeren Partikeln behandelten Proben überein. Diese Vereinbarung kann jedoch mit zunehmender Expositionszeit enden, da starke Oberflächenschäden aufgrund größerer Partikel sichtbar werden. Dennoch können die Oberflächenschäden deutlich reduziert werden, indem der Auftreffwinkel der erodierenden Partikel mit der Metalloberfläche verändert wird15,16,17.

Zitierweise für diesen Artikel: Naz, MY et al. Elektrochemische und trockene Sandschlagerosionsstudien an Kohlenstoffstahl. Wissenschaft. Rep. 5, 16583; doi: 10.1038/srep16583 (2015).

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Dieses Forschungsprojekt wird durch das Short Term Internal Research Funding (STIRF) der Universiti Teknologi PETRONAS, Malaysia, finanziert. Die Autoren möchten außerdem dem malaysischen Ministerium für Hochschulbildung für die Bereitstellung einiger Forschungseinrichtungen im Rahmen des Longterm Research Grant Scheme (LRGS) Nr. 15-8200-137-4-3 danken.

Fakultät für Maschinenbau, PETRONAS University of Technology, Bandar Seri Iskandar, Perak, 32610, Malaysia

MEIN Naz & SA Sulaiman

Abteilung für Erdöltechnik, PETRONAS University of Technology, Seri Iskandar, Perak, 32610, Malaysia

NI Ismail

Abteilung für Grundlagen- und angewandte Wissenschaften, PETRONAS University of Technology, Seri Iskandar, Perak, 32610, Malaysia

S. Shukrullah

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MYN führte Trockensandexperimente durch und verfasste den Haupttext des Manuskripts. NII hat die in der vorliegenden Studie verwendete Versuchsanlage entworfen und hergestellt. Sie sicherte sich auch das Forschungsstipendium für dieses Projekt und wird die Publikationsgebühr aus dem auf ihren Namen bewilligten Stipendium zahlen. Dieses Projekt wurde unter der Aufsicht von SAS durchgeführt. Er erstellte das Layout der beteiligten experimentellen Verfahren und erteilte die Erlaubnis, einige der Forschungseinrichtungen im Fluid Flow Lab zu nutzen. SS führte die elektrochemischen Experimente durch und erstellte die Abbildungen 8 und 9. Alle Autoren überprüften das Manuskript, bevor sie es bei „Scientific Reports“ einreichten.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Naz, M., Ismail, N., Sulaiman, S. et al. Elektrochemische und trockene Sandschlagerosionsstudien an Kohlenstoffstahl. Sci Rep 5, 16583 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16583

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Eingegangen: 10. August 2015

Angenommen: 16. Oktober 2015

Veröffentlicht: 12. November 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16583

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