SULFIDIEN AIHEUTTAMA KUPARIN JÄNNITYSKORROOSIO

Transkriptio

1 SULFIDIEN AIHEUTTAMA KUPARIN JÄNNITYSKORROOSIO Timo Saario VTT Temaattinen KYT-seminaari

2 TAUSTAA - 1 Japanilainen tutkimusryhmä raportoi vuonna 2007 että CuOFP on altis sulfidien aiheuttamalle jännityskorroosiolle synteettisessä merivedessä lämpötilassa T = 80 o C. Säröjä havaittiin koesauvojen pinnoilla (SEM) pitoisuuksilla 320 mg/l ja 160 mg/l, mutta ei enää pitoisuudella 32 mg/l. Base metal 2

3 TAUSTAA - 2 Vuonna 2009 käynnistettiin VTT:llä osanakyt2010 tutkimusohjelmaa projekti, jonka tavoitteet ovat: Arvioida kirjallisuuden perusteella maksimi sulfidipitoisuus, joka voi syntyä bakteeritoiminnan (SRB) tuloksena bentoniitti/kallio rajapinnassa. Kehittää diffuusiomalli ja sen avulla arvioida kuparikanisterin pintaan maksimissaan saapuva sulfidivuo kolmessa eri skenaariossa. Kehittää kokeellinen järjestelmä kuparin jännityskorroosiokokeita varten sulfidipitoisessa pohjavedessä. Määrittää kokeellisesti pohjaveden sulfidin minimipitoisuus, joka voi aiheuttaa jännityskorroosiota kuparissa (CuOFP). 3

4 TAUSTAA - 3 Sulfidit voivat tulla kosketuksiin kuparikanisterin pinnan kanssa kolmea eri kautta: 1) bentoniitissa olevien bakteerien tuottamana (alhainen [S 2- ] pitoisuus) 2) pohjaveden mukana (tyypillisesti [S 2- ] max = 1-3 mg/l) 3) bentoniitti/kallio rajapinnassa olevien bakteerien tuottamana (korkea [S 2- ] pitoisuus). Kaikissa tapauksissa sulfidin tulee kulkea bentoniitin läpi diffuusionopeuden riippuessa bentoniitin tiheydestä. 4

5 BAKTEERIEN TUOTTAMA MAKSIMIPITOISUUS Kirjallisuusselvitys VTT-R Sulphide induced stress corrosion cracking of copper the effect of SRB activity. Päätulos: SRB voi tuottaa [S 2- ] = mg/l (6.2<pH<7.7). Korkeammilla ph-arvoilla [S 2- ] voi olla paljon korkeampi. SRB populaation koko riippuu ravinnon saannista ja muista elinolosuhteista. 5

6 DIFFUUSIOMALLINNUKSEN TULOKSIA 0.5, 0.1, 0.01 ja mg/l Vuo 3 mg/m 2 a ( 0.1 mm/10 5 y) Tiheys 420 kg/m 3 Lähde bentoniitti/kallio rajapinnassa, 1 mg/l 6

7 DIFFUUSIOMALLINNUKSEN TULOKSIA Lähde bentoniitti/kallio rajapinnassa, 1 mg/l 7

8 DIFFUUSIOMALLINNUKSEN TULOKSIA Vuo mg/m 2 a Tiheys 420 kg/m 3 Lähde bentoniitti/kallio rajapinnassa, 450 mg/l advektiotapaus 8

9 DIFFUUSIOMALLINNUKSEN TULOKSIA Raportti VTT- R Diffusion model for sulphide in compacted bentonite. Malli toimii kaikissa tapauksissa, advektiotapaus vaatii vielä jonkin verran tarkennusta. Advektiotapaus tuottaa alustavien tulosten mukaan selkeästi suurimmat sulfidipitoisuudet kanisterin pintaan. Mallissa oletettu, että reaktionopeus kanisterin pinnalla on ääretön. Tästä syystä saadaan vuo pinnalle, ei pintakonsentraatiota. Vuonna 2010 pyritään mittaamaan reaktionopeusvakio (2Cu + S = Cu 2 S) jonka jälkeen voidaan arvioida myös eri skenaarioissa syntyvät pintakonsentraatiot. 9

10 MINIMI [S 2- ] KONSENTRAATION KOKEELLINEN MÄÄRITYS Kokeellinen järjestely on kehitetty. Koekappaleina on käytetty 25 mm paksuja standardi Compact Tension (CT) -koesauvoja, joilla voidaan tuottaa samankaltainen jännitys/venymätila kuin kanisterin seinämässä (so. tasomuodonmuutostila). Koekappaleissa on ilmassa väsyttämällä tuotetut esisäröt, joilla simuloidaan kanisterin seinämässä mahdollisesti olevia vikoja. Tähän mennessä on tehty kolme koetta pohjavedessä, johon on lisätty pitoisuus [S 2- ] = 100 mg/l, yksi pitoisuudella [S 2- ] = 10 mg/l ja yksi vastaava koe ilmassa/typpikaasussa. 10

11 1 = paineastia, 2 = johtoläpivienti, 3 = hydraulisylinteri, 4 = N 2 -pullo, 5 = pohjavesi, 6 = Atmosbag suojakaasutyötila. 11

12 Särö 12

13 0.1 Test run 1 / 100 mg/l S Cu vs SHE Pt vs SHE Potential / V vs SHE Date 13

14 Test run 1 / 100 mg/l S S 2- / mg/l ph Sulphide ph = Addition of S Date 10 14

15 V SHE ph 15

16 Test run 1 / 100 mg/l S Displacement / mm Displacement Load Load / kn Date 16

17 35.4E E E-06 Potential change, V 34.8E E E E E-06 Loading Load increase ρ l I U = R I = = A const A 33.8E Date 17

18 18

19 Prefatigue Loading Additional loading 19

20 Element Weight % Weight % Error Atom % Atom % Error O / / Mg / / Al / / S / / Ca / / Cu / / Total

21 KOE ILMASSA/N 2 Esiväsytyksen loppu Esiväsytyksen alku 21

22 KOE ILMASSA/N 2 Väsytys kokeen jälkeen 22

23 KOE ILMASSA/N2 Quantitative Results for: Timo 6, oxide at the prefatigue crack tip Element Weight % Weight % Error Atom % Atom % Error O / / Al / / Cu / / Total

24 1.E-05 1.E mg/l mg/l - 2 Air 100 mg/l - 1 Strain rate, mm/s 1.E-07 1.E-08 1.E-09 0.E+00 1.E+05 2.E+05 3.E+05 4.E+05 5.E+05 6.E+05 7.E+05 Time, seconds Koesauvojen venymänopeus 24

25 YHTEENVETO KOKEELLISTA TULOKSISTA Koesauvojen sähkövastukseen perustuva särönkasvun on-line seuranta ei varmuudella indikoi särönkasvua Koesauvojen murtopintatutkimus ei varmuudella indikoi särönkasvua Koesauvojen venymänopeus ei varmuudella indikoi särönkasvua => Work in progress. 25

26 VTT creates business from technology 26