Коррозионно механическую

Процесс КР магистральных газопроводов контролируется рядом внутренних и внешних факторов [1, 28], среди которых помимо факторов строительно-монтажного и эксплуатационного происхождений весьма существенную роль играет металлургическое качество труб. Вклад последнего до настоящего времени изучен недостаточно. В частности, не определена чувствительность металла к КР по периметру трубы, хотя в ряде случаев наиболее глубокие трещины располагаются на расстоянии 100-250 мм от продольного заводского сварного шва. В связи с этим проводились исследования влияния распределения технологически унаследованных остаточных деформаций и напряжений по периметру прямо-шовной электросварной трубы диаметром 0,82 м производства Челябинского трубопрокатного завода (ЧТПЗ) на ее склонность к коррозионно-механическому разрушению.

Книга «Коррозия и борьба с ней», перевод которой предлагается советским читателям, вышла в США третьим изданием в 1985 г. Ее подзаголовок «Введение к коррозионную науку и технику» точно соответствует содержанию: книга является руководством для изучения основных закономерностей коррозии и и способов защиты металлов. Книга рассчитана на очень широкий круг читателей, имеющих общеинженерную подготовку. Автором двух первых изданий, вышедших в 1962 и 1971 гг., был известный американский коррозионист Г. Улиг, в подготовке третьего издания принял участие канадский специалист по коррозионно-механическому поведению металлов Р. У. Реви.

Положительные эффекты при сварке с РТЦ проявляются и по интегральным показателям сопротивления коррозионно-механическому разрушению (рис. 3.12). При фиксированном номинальном напряжении долговечность сварных соединений, выполненных с принудительным охлаждением, примерно в 2-3 раза превышает долговечность сварных соединений, выполненных с предварительным нагревом. Образцы с поперечным швом в случае сварки с подогревом (см. рис. 3.12, а -линия 1) разрушаются преимущественно по линии сплавления с характерным для коррозионного растрескивания хрупким изломом, а при сварке с охлаждением (рис. 3.12, а - линия 2) по металлу шва, и разрушение вязкое. В образцах с продольным швом (см. рис. 3.12, б) разрушение начинается с участков подкалки ^т- Чем больше %т (сварка с подогревом на

Наблюдаемый характер разрушения объясняется наличием структурных дефектов покрытий, таких, как металлический титан в покрытии TIN и поры, выполняющих роль концентраторов напряжений, снижающих сопротивляемость модифицированных слоев коррозионно-механическому изнашиванию. В процессе прерывистого резания образование сетки микротрещин может привести и к разрушению материала основы за счет отрыва частиц покрытия в местах их прочных связей с твердым сплавом. Карбидотитановые покрытия имеют более высокую трещиностойкость, лучше сопротивляются образованию и росту трещин [ 117]. Трещиностойкость износостойкого комплекса "покрытие-основа" зависит от релаксационных свойств тугоплавких фаз, входящих в его состав. Релаксационные свойства износостойкого комплекса зависят от температуры трибомеханического контакта. При этом с повышением температуры релаксационные свойства покрытий возрастают заметнее, чем таковые основы. Поэтому работоспособность инструмента при резании на высоких скоростях определяется структурными характеристиками покрытия. Повышение скорости резания приводит к изменению механизма разрушения режущих кромок твердых сплавов, который зависит от диффузионных процессов в приповерхностных слоях основы и явлений микропластичности. Твердые сплавы с покрытием TiC более устойчивы к явлениям ползучести, чем сплавы с нитридотита-новым покрытием. Трещиностойкость износостойкого комплекса может быть повышена путем нанесения промежуточных мягких слоев, способствующих вязкому торможению образующихся в процессе изнашивания трещин [92, 116, 118]. Закономерности изнашивания твердосплавных инструментов с покрытиями наиболее полно иллюстрируют зависимости, представленные на рис. 7.13 [92].

Детали и конструкции, работающие в условиях агрессивных сред, часто подвергаются коррозионно-механическому разрушению под совместным воздействием коррозии и механических напряжений. Существует пять характерных случаев коррози-онно-механического разрушения металлоконструкций, отличающихся своеобразием воздействия механического фактора: 1) общая коррозия напряженного металла (не сопровождающаяся хрупким механическим разрушением); 2) коррозионное растрескивание; 3) коррозионная усталость; 4) коррозионная кавитация; 5) коррозионная эрозия (коррозионное истирание, фреттинг).

Ионы водорода в ходе катодного процесса восстанавливаются на поверхности стали, часть из них поступает в металл и способствует его коррозионно-механическому разрушению. Установлено, что при сероводородном растрескивании сталей основная роль принадлежит водородному охрупчиванию [8].

Из всего сказанного следует, что для коррозионного зарождения и развития трещины большое значение имеет исходный (фоновый) уровень электрохимической гетерогенности поверхности: 'чем он выше, чем хуже условия для коррозионного зарождения трещины, тем более устойчив металл. Действительно, отожженные (нормализованные) стали с гетерогенной перлит -ферритной структурой весьма стойки к коррозии под напряжением. Стали же, закаленные на мартенсит с гомогенной структурой твердого раствора, обладают наибольшей склонностью к коррозионно-механическому разрушению [8, 71].

Современный этап разбития техники характеризуется интенсификацией производственных процессов, ужесточением эксплуатационных условий, увеличением единичных мощностей машин и оборудования, что обусловило разработку и применение высокопрочных конструкционных материалов. Вместе с тем, высокопрочные стали и сплавы, как правило, более склонны к коррозионно-механическому разрушению, в частности, коррозионной усталости, чем менее прочные, но термодинамически более стабильные металлы. Поэтому одной из важных задач борбы с коррозией является решение металлургической стороны проблемы, т.е. установление влияния природы, состава, строения металлов на их коррозионно-механическое разрушение с целью получения данных для оптимизации технологии производства конструкционных материалов.

Несмотря на большой объем опубликованных исследований в области увеличения долговечности и безопасной эксплуатации металлоконструкций, подверженных коррозионно-механическому разрушению, некоторые вопросы все же остаются не изученными. Среди них можно выделить следующие:

Для оценки стойкости металла к коррозионно-механическому разрушению используются механически нагруженные образцы-свидетели различной конструкции. В стадии разработки находятся такие методы как сопротивление переменному току, тонкослойное активирование поверхности, измерение электрохимического шума, радиоизотопный метод. Эти методы пока не обеспечены иромышлен-но выпускаемым оборудованием и не нашли широкого применения.

Наблюдаемый характер разрушения объясняется наличием структурных дефектов покрытий, таких, как металлический титан в покрытии TiN и поры, выполняющих роль концентраторов напряжений, снижающих сопротивляемость модифицированных слоев коррозионно-механическому изнашиванию. В процессе прерывистого резания образование сетки микротрещин может привести и к разрушению материала основы за счет отрыва частиц покрытия в местах их прочных связей с твердым сплавом. Карбидотитановые покрытия имеют более высокую трещиностойкость, лучше сопротивляются образованию и росту трещин [117]. Трещиностойкость износостойкого комплекса "покрытие-основа" зависит от релаксационных свойств тугоплавких фаз, входящих в его состав. Релаксационные свойства износостойкого комплекса зависят от температуры трибомеханического контакта. При этом с повышением температуры релаксационные свойства покрытий возрастают заметнее, чем таковые основы. Поэтому работоспособность инструмента при резании на высоких скоростях определяется структурными характеристиками покрытия. Повышение скорости резания приводит к изменению механизма разрушения режущих кромок твердых сплавов, который зависит от диффузионных процессов в приповерхностных слоях основы и явлений микропластичности. Твердые сплавы с покрытием TiC более устойчивы к явлениям ползучести, чем сплавы с нитридотита-новым покрытием. Трещиностойкость износостойкого комплекса может быть повышена путем нанесения промежуточных мягких слоев, способствующих вязкому торможению образующихся в процессе изнашивания трещин [92, 116, 118]. Закономерности изнашивания твердосплавных инструментов с покрытиями наиболее полно иллюстрируют зависимости, представленные на рис. 7.13 [92].

Применение сварки с регулированием термических циклов сопутствующим охлаждением повышает длительную прочность сварных соединений (рис. 2.10), стойкость к развитию термодиффузионной структурной неоднородности, термической усталости и прочность в коррозионных средах: (рис. 2.11). В частности, установлено, что сварка с принудительным охлаждением приводит к снижению разности электродных потенциалов металла шва и околошовной зоны примерно в 2-3 раза, что повышает в 2-3 раза коррозионно-механическую прочность такого сварного соединения по сравнению с соединениями, выполненными с предварительным подогревом.

Лакокрасочные неметаллические покрытия - наиболее рас-густраненное средство защиты от общей коррозии. Их действие сводится в основном к изоляции поверхности металла от коррозионной среды. Обобщая литературные данные о влиянии подобных покрытий на коррозионно-механическую стойкость сталей, отметим, что при сравнительно невысоких уровнях наг-ружения некоторые покрытия дают значительный защитный эффект. Так, например, защитной способностью обладают покрытия этинолевым лаком на железном сурике, покрытия лаком с алюминиевой пудрой, наиритовые покрытия, а также покрытия лаком 302 и материалом B-S8. Более эффективны полимерные покрытия, в частности, на основе полимера ЭН 586 [71].

Существенно повышает коррозионно-механическую стой кость сталей электрошлаковый переплав (ЭШП), Установлено что рафинирование сталей с помощью различных видов перепла BOB увеличивает их сопротивление усталости в слабо агрессии ной среде. С ростом агрессивности среды (повышение концентрации солей, снижение рН) эффективность рафинирования сни-: сается [8, 30, 71].

Легирование стали медью в небольших количествах (0,3— 0,8 %) несколько повышает коррозионную и коррозионно-механическую ее стойкость. При этом медь находится в стали в виде твердого раствора; в процессе коррозионного растворения материала ионы меди из электролита способны выделяться на поверхности металла. Выделившаяся на поверхности стали медь, являющаяся эффективным катодом, способствует пассивированию стальной поверхности. Формирование на поверхности пассивной пленки повышает коррозионную стойкость стали и пре-120

3.5. ВЛИЯНИЕ ДИФФУЗНОГО НАСЫЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НА КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКУЮ СТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ

При коррозии под напряжением трещины зарождаются преимущественно с поверхности металла. Поэтому поверхностный наклеп (обкатка поверхности роликами, обдувка дробью, виброгалтовка, гидродробеструйная обработка и т. д.) во многих случаях существенно тормозит зарождение трещин, т. е. повышает коррозионно-механическую стойкость сталей и сплавов. Поверхностный наклеп наиболее эффективен для углеродистых и низколегированных сталей [8, 52,68, 71].

Установлено, что на коррозионно-механическую стойкость стали оказывает влияние даже тип печи, где проводилась выплавка. Это связано, по-видимому, с различной загрязненностью сталей примесями и газами. Сталь, выплавленная электродуговым методом, обладает более низкой коррозионно-механической стойкостью, чем та же сталь, но подвергнутая электрошлаковому переплаву (ЭШП). Причина, вероятно, в том, что сталь после ЭШП содержит значительно меньше неметаллических включений. Заметно повышает сопротивление стали коррозионному растрескиванию вакуумно-дуговой переплав. В целом рафинирование (очистка) сталей тем или иным методом повыша-ед коррозионно-механическую стойкость материала, причем эффективность рафинирования возрастает по мере усиления агрессивности среды, в частности, по мере ее подкисления [3].

Результативным методом является оптимальная термообработка. Для мартенситных нержавеющих сталей наиболее приемлемым является отпуск их в интервале температур 570— 600 °С; в ряде случаев целесообразен повторный отпуск при 500 °С. Из углеродистых и низколегированных сталей наибольшей стойкостью к коррозии под напряжением обладают материалы с сорбитной и перлит-ферритной структурой, наименьшей - с мартенситной. Во многих случаях поверхностная закалка сталей повышает их коррозионно-механическую стойкость,

3.5. Влияние диффузного насыщения поверхности на коррозионно-механическую стойкость сталей .................... 121

шать коррозионно-механическую прочность при низком отпуске при температурах 350—450 °С. Поэтому их применение должно быть обосновано имеющимся опытом эксплуатации или проведением специальных коррозионно-механических испытаний.

Методологическое обоснование методов испытаний, позволяющих оценивать и прогнозировать коррозионно-механическую прочность. Преимущественно используемые в настоящее время образцы при одноосном нагружении позволяют получать только сравнительную оценку материалов и технологию, но не достаточны для оценки работоспособности конструкций. Следует развивать методы испытаний макетов, узлов, образцов, имеющих конструктивное и технологическое подобие с наиболее опасными узлами реальных конструкций с целью отработки конструктивных и технологических решений; методы испытаний на основе механики разрушения; натурные и стендовые методы испытаний.