<<
>>

1.2 Основные теории образования и развития стресс-коррозионных трещин, пред­ставленные в материаловедческой литературе

В основе большинства теоретических моделей КРН лежит представление о двух возмож­ных механизмах развития растрескивания: путем коррозионной реакции растворения металла в вершине развивающейся трещины (классическая модель активного анодного растворения) или путем локального охрупчивания водородом, абсорбированным металлом в вершине трещин (мо­дель водородного охрупчивания) [199].

Кинетика классического КРН определяется в большей степени условиями пассивации, ко­торые обусловлены спецификой образования защитных коррозионных пленок. Для стресс-кор- розионных разрушений газопроводных сталей это находит отражение в том, что опасность клас­сического КРН в концентрированных карбонат-бикарбонатных средах соответствует активно­пассивной области потенциалов [176]. Механизм локального анодного растворения при этом

предполагает локальное ускоренное анодное растворение металла в вершине трещины. Локали­зацию анодного процесса в вершине трещины как правило связывают с локальным нарушением пассивности стали в вершине трещины из-за разрушения защитной коррозионной пленки и об­разования ювенильной (свежеобразованной) поверхности и/или со снижением (разблагоражива- нием) потенциала металла в результате его деформации в областях концентрации напряжений.

Говоря о водородном охрупчивании (ВО) как о механизме стресс-коррозии, имеют ввиду коррозионное растрескивание металла, инициируемое водородом (HISCC - hydrogen induced stress corrosion cracking), согласно гипотезе молекулярного давления [53, 76, 103, 180]. Причиной ВО, как предполагает гипотеза, является возникновение высокого давления водорода в несплош- ностях металла и, как следствие, высоких внутренних напряжений. Они, суммируясь с внешними напряжениями, вызывают преждевременное разрушение, по сравнению с разрушением в отсут­ствие водорода. В случае интенсивного проникновения водорода в сталь этот механизм правдо­подобен, например, в сероводородсодержащем газе (кислом), как в среде, которая содержит силь­ный стимулятор наводороживания.

Этот механизм маловероятен для случая стресс-коррозии в форме HISCC по причине отсутствия в грунте стимуляторов наводороживания. Однако, в случае активной деятельности сульфатвосстанавливающих бактерий, которые производят в процессе своей жизнедеятельности сероводород, в превышающих предельные количествах, такой меха­низм возможен [181]. Таким образом маркером такого типа развития разрушения будет наличие соединений серы в продуктах коррозии.

Иной механизм водородного охрупчивания предлагает адсорбционная гипотеза [215]. Со­гласно гипотезе, под действием водорода снижается поверхностная энергия, затрачиваемая на образование берегов трещины (эффект Ребиндерга). Для высокопрочных сталей (ов > 1000-1200 МПа) этот механизм наиболее вероятен, для них доля энергии пластической деформации прене­брежимо мала в общем балансе энергии разрушения, а доля поверхностной энергии велика. Од­нако, методом физических измерений зафиксировать подобные влияния невозможно [143].

Гипотеза декогезии предполагает причиной ВО ослабление межатомных связей атомов железа под влиянием водорода в областях максимальных трехосных напряжений, которые могут возникать в вершинах трещин и около неметаллических включений (особенно строчечных) и других фаз, при неоднородной пластической деформации и у скоплений дислокаций. В этой мо­дели ВО предусмотрен механизм сегрегации водорода в локальных областях максимальных трех­осных напряжений в результате восходящей диффузии, благодаря пониженному химическому потенциалу растянутой решетки железа в вершине трещины. Таким образом, развитие трещин КРН должно ассоциироваться с неметаллическими включениями и разделами фаз, которые можно зафиксировать при металлографических исследованиях.

В дислокационной гипотезе ВО [181] охрупчивание объясняется образованием у дислока­ций водородных облаков Котрелла и уменьшением их подвижности из-за взаимодействия их друг с другом. Необходимым условием реализации этой модели является пластическая деформация. Во время деформации водород диффундирует к активным плоскостям скольжения и, образуя во­дородные атмосферы, препятствует их движению, т.е.

снижает способность металла к пластиче­ской деформации. Оценить методом физических измерений влияния скольжения дислокаций можно, только при исследовании тонких фольг на просвечивающих электронных микроскопах, либо на микроуровне, при наблюдении остаточных после пластической деформации явлений.

Согласно гипотезе пластифицирования металла, благодаря облегчению зарождения дис­локаций или увеличению их подвижности, влияние водорода способствует протеканию любых деформационных процессов [189]. Модель исходит из различных способов проникновения водо­рода в критические области. Для инициируемого водородом КРН трубных сталей наиболее веро­ятен механизм поглощения водорода через чистые (ювенильные) поверхности, образующиеся в результате выхода полос скольжения на поверхность пластической зоны в вершине трещины. Далее «работает» адсорбционная модель облегчения деформирования в результате понижения свободной поверхностной энергии под действием водорода. Отмечается также, что проникнове­ние водорода в зону предразрушения влияет на силы сцепления атомов железа, он может способ­ствовать релаксационным процессам в вершине трещины (водородный «хемомеханический эф­фект») [84].

Таким образом, в микромасштабе действие водорода может проявляться не в охрупчива­нии, а в пластифицировании металла. В макромасштабе охрупчивание выглядит как понижение напряжений разрушения в результате локального облегчения пластического течения и разруше­ния микрообъемов металла в вершине трещины [48, 142].

Ближайшим родственным понятием, связанным с КРН, считается коррозионная усталость (КУ). Это универсальное явление может протекать под воздействием только механического фак­тора при отсутствии активной коррозионной среды [199]. Согласно такой постановке вопроса, механический фактор играет в КУ большую роль, чем в КРН. Коррозионная усталость суще­ственно зависит от временного фактора, как и КРН. Это отражается в зависимости предела вы­носливости от формы цикла нагружения и падении выносливости при снижении частоты нагру­жения. Характер разрушения гладких образцов при коррозионной усталости также, как и КРН, существенно отличается от характера разрушения при обычной усталости на воздухе множе­ственным образованием по всей поверхности образца коррозионных трещин. Наряду с другими признаками, подобие в характере растрескивания позволяет предполагать значительную роль в аварийных разрушениях циклических напряжений и рассматривать коррозионную усталость как возможный вариант стресс-коррозии [181].

Важной спецификой стресс-коррозионного разрушения является ведущая роль свойств ювенильной (свежеобразованной) поверхности в вершине трещины. Кинетика физикохимиче­ских реакций, в том числе абсорбционных (при поглощении водорода), коррозионных на юве­нильной поверхности принципиально отличается от кинетики реакции на окисленных на воздухе или в процессе производства поверхностях [39, 99, 164]. В теории КРН особое внимание уделя­ется этому вопросу, так как среда на ювенильной поверхности в результате гидролиза продуктов коррозии и замедленного обмена с электролитом на поверхности может приобретать свои элек­трохимические свойства, обеспечивающие протекание частных коррозионных реакций [149]. От защитных свойств образующихся коррозионных плёнок и условий образования зависит скорость их протекания. Под действием такого механического фактора как концентрация напряжений, обеспечивающего разрыв металлических связей в вершине трещины и протекание пластической деформации, образуются ювенильные поверхности, на которых сильно интенсифицируются все частные реакции КРН: реакция катодного выделения водорода и его поглощение сталью, реакция анодного растворения [84].

Таким образом, независимо от альтернативного механизма, реализуемого при разруше­нии, ювенильная поверхность может являться активатором любых локальных процессов КРН. Образование таких поверхностей имеет значение в механизме КРН в условиях заметной концен­трации напряжений: на стадии развития трещин [218].

В любом коррозионно-механическом разрушении, который протекает в условиях цикли­ческого или статического нагружения, с точки зрения надежности конструкции, различаются три стадии процесса:

1) образование зародышевых дефектов, которое завершается возникновением микротрещин;

2) субкритический (стабильный) рост зародышевых дефектов;

3) конечный быстрый долом при достижении размеров субкритических трещин критических раз­меров.

Вопрос степени влияния механических напряжений на рост трещины в условиях уже сформировавшегося дефекта, но при отсутствии коррозионной среды, является наиболее важным с точки зрения эксплуатации уже построенных «старых» трубопроводов. Если имеется возмож­ность гарантировано замедлить, или остановить рост дефекта КРН в практике, изолировав по­ступление коррозионной среды к вершине трещины, то это означает, что проблема эксплуатации труб с малыми дефектами КРН малой глубины решается надежной гидроизоляцией поверхности трубопровода [124]. В противном случае изоляции ювенильной поверхности трещины от корро­зионной среды будет недостаточно для остановки процесса и развитие разрушения будет про­

должаться в силу воздействия внешних нагрузок. Определение веса эксплуатационных напряже­ний в процессе развития дефектов КРН на образцах, вырезанных из реального трубопровода, яв­ляется важнейшей практической задачей работы.

Подводя итоги рассмотрению представленных в литературе механизмов образования и развития дефектов КРН, можно выделить следующие критерии процесса, имеющие первоочеред­ное значение.

Активное нагружение. Имеется в виду возможное при достижении определенного уровня напряжений, непрерывное протекание пластической деформации в вершине трещины. Из-за этого, несмотря на пассивирующее воздействие коррозионной среды, происходит непре­рывное образование в вершине трещины ювенильных поверхностей. Оно возможно при опреде­ленном соотношении скорости деформациии пассивации

Типы нагрузок и воздействий на магистральные трубопроводы проанализированы и си­стематизированы в работах известных отечественных и зарубежных авторов [38, 40, 41, 42, 57, 62, 63, 64, 66, 70, 78, 82, 86, 87, 91, 100, 107, 109, 114, 115, 117, 121, 122, 127, 128, 131, 139, 144,163, 165, 173, 178, 213].

Циклическое нагружение. При достаточно высоком уровне напряжений в каждом цикле нагружения, имеет место пластическая деформация сжатия и растяжения, которая, как и при ак­тивном нагружении, способствует образованию ювенильных поверхностей. Интенсивность их образования и долговечность зависят от таких механических параметров нагружения, как частота цикла нагружения, форма, асимметрия цикла и т.п.), а также от электрохимических и металлур­гических характеристик металла. Образованию ювенильных поверхностей могут способствовать соударение и трение берегов трещины в процессе циклического нагружения [232].

Электрохимические реакции. Анодное растворение облегчает выход дислокаций на по­верхность (хемомеханический эффект) и вызывает образование свежей поверхности, которая об­ладает более отрицательным потенциалом как по сравнению с запассивированной поверхностью, так и по сравнению со «старой» поверхностью берегов трещин. Согласно многим эксперимен­тальным данным, после разрушения образца в результате КРН, его потенциал скачкообразно сдвигается в отрицательную сторону вследствие необратимой активации свежеобразованной по­верхности разрушения. В коррозионной трещине функционирует гальванопара «свежеобразо­ванная поверхность вершины трещины — берега трещины» с очень низким соотношением пло­щадей катодного (берега) и анодного (вершина) электродов.

Пластическая деформация и химическая гетерогенность металла как необходимые условия протекания КРН. Деформации и напряжения отвечают за коррозионную и адсорбци­онно-абсорбционную активность металла на свежеобразованной (ювенильной) поверхности

[185]. С повышением степени деформации стационарный потенциал деформированных поверх­ностей становится более отрицательным. Также пластическая деформация сжатия способствует сдвигу потенциала, в большей степени, чем деформация растяжения [84].

Электрохимическая гетерогенность поверхности трубы. Является необходимым усло­вием электрохимической коррозии, обусловлена неизбежной структурной и химической неодно­родностью технических сплавов. Самым важным источником электрохимической гетерогенно­сти являются неметаллические включения, границы зёрен и вторых фаз (нитриды, карбиды и др.) [136].

Старение трубопроводов. 25 лет - нормативный срок эксплуатации, на который проек­тируются магистральные газопроводы [111]. В настоящее время для многих магистральных га­зопроводов срок эксплуатации приближается к нормативной величине. Более 30 % трубопрово­дов Западной Сибири (по протяженности трассы) эксплуатируются дольше 25 лет, и около 18 % дольше 35 лет [133]. 30 лет - средний возраст газопроводов в ПАО «Газпром». Многими иссле­дователями, в связи с этим, рассматривается процесс старения во время длительной эксплуата­ции, который также связывают с процессом КРН [112, 114]. Эксплуатационное старение заклю­чается в функциональной деградации физико-механических свойств конструкционных материа­лов в силу термических, естественных и деформационных процессов. В трубных сталях при экс­плуатации, вследствие деформационного старения происходит охрупчивание металла [68, 82, 83].

Предел текучести увеличивается, что приводит к понижению чувствительности к локаль­ным концентраторам напряжений у конструкции в целом [165, 186].

Вывод по обзору признаков и теорий КРН. Установленные на данное время закономер­ности и признаки КРН катодно-поляризуемых труб с нарушенной изоляцией являются доста­точно известными в теории КРН низколегированных сталей. Но в каждом конкретном случае вес каждого фактора в отдельности, применимо к магистральным газопроводам, вызывает дискус­сии. Чтобы в полной мере оценить реальное положение вещей, необходимо обратиться к стати­стическим и натурным исследованиям проблемы, а также рассмотреть реализованные в действу­ющей нормативной документации подходы к КРН [233].

1.3

<< | >>
Источник: Афанасьев Алексей Викторович. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ОЦЕНКИ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. САМАРА - 2019. 2019

Еще по теме 1.2 Основные теории образования и развития стресс-коррозионных трещин, пред­ставленные в материаловедческой литературе:

  1. СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛА ВОКРУГ СТРЕСС-КОРРОЗИОННЫХ ДЕФЕКТОВ И ВЛИЯНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА РАЗВИТИЕ И МОРФОЛОГИЮ ТРЕЩИН
  2. Влияние уровня механических напряжений и циклических изменений давления на развитие трещин КРН
  3. Развитие теории массопереноса загрязняющих веществ при обтекании конструкции вентилируемого фасада
  4. УМНЯКОВА НИНА ПАВЛОВНА. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ СПЕЦИФИКИ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва - 2019, 2019
  5. 1.1. Масштаб и история изучения проблемы стресс-коррозии (КРН)
  6. 42. Особенности участия публично-правовых образований в гражданских правоотношениях.
  7. 41. Публично-правовые образования как субъекты гражданского права: понятие, правоспособность.
  8. 30. Возникновение юридических лиц: способы образования, порядок создания.
  9. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  10. Список литературы
  11. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  12. Список литературы
  13. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  14. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ