Электронная микроскопия спектрометрия дефектов КРН

Чтобы оценить параметры трещин, а также провести поэлементные локальные химиче­ские анализы продуктов коррозии и неметаллических включений, поперечные шлифы поверх­ности образцов всех групп исследовались при помощи сканирующего электронного микроскопа [235].

Все трещины во всех образцах имеют сходный вид и морфологию. Большинство начина­ется на дне коррозионных язв и имеют глубину от (250 - 500 мкм) (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Электронные изображения трещин на дне коррозионных язв

Дефекты, безусловно, образовались и развивались по сходным механизмам. Так как они однотипные, примерно одной протяженности и находятся в непосредственной близости друг от друга. Если оценивать взаиморасположение трещин на образцах в исследуемой зоне, то, в большинстве случаев, трещины находятся расстоянии не более 1000 мкм друг от друга (рисунок 3.9).

Таким образом, дефект представляет собой совокупность коррозионной язвы и уста­лостной трещины, нигде на исследованных образцах не превышает глубину в 1000 мкм.

Рисунок 3.10- Электронные изображения трещин на поверхности образцов

Плоскостные дефекты группируются в колонии и распространяются вдоль оси трубы параллельно друг другу. Трещины преимущественно образовывались на дне коррозионных язв.

Был проанализирован механизм распространения трещин (рисунок 3.11).

Обнаружено, что трещины расширяются и сужаются, не имеют постоянного сечения, ветвятся. Несмотря на то, что некоторые вершины их затуплены, невозможно сказать, что тре­щины находятся в неактивном состоянии. Рядом с ветвями с затупленной вершиной почти всегда есть ветка с острой вершиной и по какой из них шло актуальное разрушение сказать невозможно.

Рисунок 3.11 - Электронные изображения трещины в образце: а - увеличение х151; б - увеличение х500; в - увеличение х2000

в

Характер границы раздела между металлом и продуктами коррозии указывает, что межзеренная коррозия не является существенным процессом растворения металла. Направле­ние развития трещин не всегда строго соответствует нормали, но генеральное направление разрушения перпендикулярно внешней поверхности трубы и имеет большую разветвленность, что говорит о скачкообразном развитии трещин. Это характерно для разрушений, происходя­щих при напряжениях значительно меньших чем предел текучести материала. Причиной по­явления таких напряжений в теле трубы может быть многоцикловое нагружение малыми (ра­бочими при перекачке газа) нагрузками. Полости трещины полностью заполнены продуктами коррозии, это говорит о том, что процесс разрушения развивался с участием почвенной влаги весьма продолжительное время. Таким образом, можно говорить о механизме разрушения тела трубы при совместном воздействии нагрузок и локальном анодном растворении в вер­шине трещины.

Образцы групп 1, 2, 3 использовались для получения раскрытых изломов. На них был сделан пропил по направлению развития разрушения и трещины были раскрыты избыточным усилием.

При исследованиях исследования раскрытых трещин были выявлены границы корро­зионной язвы, фронта трещины и вязкого излома (зоны долома, образовавшейся при раскры­тии образца) (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 - Электронные изображения раскрытой трещины в образце: а — уве­личение х157; б — увеличение х300

Анализ поверхности разрушения при небольших увеличениях показал, что и верхняя часть трещины полностью заполнена окислами.

Рисунок 3.13- Электронные изображения вершины раскрытой трещины: а — увели­чение х900; б — увеличение х2000

При микрорентгеноспектральном анализе поэлементного состава продуктов коррозии установлено, что трещины полностью заполнены окислами железа, распределение различных элементов по поверхности разрушения представлены на картах распределения элементов (ри­сунок 3.14).

Как видно из карт распределения элементов, явных границ раздела фаз не обнаружено. Продукты коррозии равномерно распределены внутри трещины. Изображения в спектрах же­леза, кислорода, углерода однородные, равнояркие, что говорит либо о монофазности излома окисла, либо о равномерной смеси нескольких фаз. Предположительный состав продуктов коррозии либо однородный Fe2O3, либо смесь Fe2O3+FeCO3.

Определение изменения химического состава продуктов коррозии проводилось точ­ным анализом от поверхности образца до вершины трещины в нескольких точках (рисунок 3.15). Результаты химического анализа представлены в таблице 3.5.

^γ.⅛t√

•■'

Рисунок 3.14 - Карты распределения элементов

а - электронное изображение трещины; б - изображение в спектре железа; в - изоб­ражение в спектре кислорода; г - изображение в спектре углерода; д - изображение в

спектре марганца

Рисунок 3.15 - Электронное изображение (х300) точек замера спектра в раскрытой

трещине

Таблица 3.5 — Изменение содержания хим.

По сечению трещины от ее устья к вершине по наибольшей глубине, резких изменений весового процента по основным примесям стали не обнаружено.

Для определения влияния на развития трещин металлургических примесей и добавок, проводились картирования поверхности шлифов в спектрах серы и марганца. На картах пред­ставлено изображение трещины в спектрах железа, кислорода, углерода, серы и марганца (ри­сунок 3.16). Повышенного содержания серы в продуктах коррозии отмечено не было. Об этом свидетельствует различная яркость изображения спектра элементов при переходе с неповре­ждённого металла трещину. Видно пониженное содержание железа и марганца и повышенное

содержание кислорода и углерода в продуктах коррозии (рисунок 3.16 б).

а

Рисунок 3.16 — Карты распределения элементов в стресс-коррозионной трещине: а

— распределение железа, кислорода и углерода; б — распределение марганца и серы

Содержание серы в продуктах коррозии не превышает содержание серы в металле об­разца. Изображения в спектрах марганца и серы равнояркие и однородные как в сечении не­

102 поврежденного металла, так и в сечении трещины.

Рисунок 3.17 - Карты распределения элементов в стресс-коррозионной трещине: а - электронное изображение трещины; б - изображение в спектре железа; в - изображение в спектре серы; г - изображение в спектре марганца

Так совпадение повышенной концентрации марганца и серы на некоторых участках карты говорит о том, что в этом месте присутствует сульфидное неметаллическое включение (сульфид марганца). Как видно на электронном изображении, это неметаллическое включение не является источником развития разрушения. В остальной трещине содержание серы не пре­вышает содержание серы в металле образца, а общая загрязненность материала серой не вы­ходит за рамки технических требований.

Точечный химический анализ состава в случайной точке (рисунок 3.18) также не вы­явил повышенного содержания серы в продуктах коррозии. Результаты анализа представлены в таблице 3.6.

Рисунок 3.18 - Определение химического состава продуктов коррозии в случайной

точке

Таблица 3.6 - Содержание различных химических элементов в продуктах коррозии (за­мер в случайной точке)

Обобщение данных микрорентгеноспектрального анализа продуктов коррозии под­тверждает, что влияние серы и сульфидов на процесс развития КРН в данном разрушении не значительно.

Выводы по главе 3

Результаты металлографических исследований сварного шва, вырезанного из трубы ли­нейной части, показали, что пониженные механические характеристики этой зоны связаны с осо­бенностями технологии производства труб с двумя швами, которая была характерна для того времени на момент строительства газопровода. Известно также, что сварные швы на ХТЗ выпол­нялись с повышенным тепловложением (с целью обеспечения требуемой производительности), а для ускорения технологического процесса трубные заготовки после сварки подвергались ис­кусственному охлаждению водой. Именно по этой причине сварные швы в трубах ХТЗ имели увеличенную ширину швов - до 35 мм вместо допускаемой сегодня ширины не более 25 мм (для толщин от 10 до 16 мм). Это, с одной стороны, приводило к формированию довольно протяжен­ной зоны перегрева с неблагоприятной структурой видманштетта, а с другой стороны, к образо­ванию в наружных слоях ЗТВ закалочных структур (гранулярный (верхний) бейнит, игольчатый феррит, мартенситно-карбидная смесь). Разупрочнение металла ЗТВ при сварке объясняет пони­женную сопротивляемость сварного соединения замедленному и хрупкому разрушению. Подоб­ная структура благоприятна для развития трещин по механизму КРН, особенно в случае, если сварной шов трубной секции оказывался расположен в районе нижней образующей трубопро­вода. По этой причине дефекты КРН околошовной зоны на всем рассматриваемом участке имеют в большинстве случаев большую глубину, чем дефекты тела трубы. Использование ускоренного водяного охлаждения швов в процессе сварки и некачественных сварочных материалов (свароч­ной проволоки и флюсов) могло также приводить к образованию холодных трещин, которые могли развиваться по механизму стресс коррозии после того, как деградировало изоляционное

покрытие. Особую опасность трещины в ОШЗ представляют тем, что ввиду малости их размеров и специфического места расположения, их очень сложно выявить как в ходе внутритрубной ди­агностики, так и при неразрушающем контроле труб в шурфах. При оценке работоспособности труб, поврежденных стресс коррозией, необходимо особенно внимательно относиться к дефек­там КРН в ОШЗ [234].

Микрорентгеноспектральный анализ поэлементного состава продуктов коррозии показал трещины полностью заполнены окислом, распределение различных элементов по поверхности разрушения представлены на картах распределения элементов. Явных границ раздела фаз не об­наружено. Продукты коррозии равномерно распределены внутри трещины. Изображения в спек­трах железа, кислорода, углерода однородные, равнояркие, что говорит о либо монофазности излома окисла, либо о равномерной смеси нескольких фаз. Предположительный состав продук­тов коррозии либо однородный Fe2O3, либо смесь Fe2O3+FeCO3. Проведенное картирование по­верхности шлифов в спектрах серы и марганца не выявило следов влияния на развитие трещин металлургических примесей и добавок. Повышенного содержания серы в продуктах коррозии отмечено не было. На картах представлено изображение трещин в образцах в спектрах железа, кислорода, углерода, серы и марганца. Не отмечено также повышенного содержание серы в про­дуктах коррозии. Оно не превышает содержание серы в металле образца. В некоторых образцах можно даже констатировать пониженное содержание серы в продуктах коррозии за исключе­нием локальных мест присутствия сульфидных неметаллических включений. При этом неметал­лическое включение не является источником развития разрушения. В остальной трещине содер­жание серы не превышает содержание серы в металле образца, а общая загрязненность материала серой не выходит за рамки технических требований [234].

4.