Коррозионно усталостный

Развитие трещин, характерных для коррозионно-термической усталости—ааниня гтпгь,-А вш/тррннрй поверхности, протяженность

Как видно из анализа повреждений теплоэнергетического оборудования, весьма важное значение имеет наличие окислительной среды (вода, пар, конденсат), обусловливающей явление корро-зионно-термической усталости. Воздействие окислительной среды заключается главным образом в ее специфическом влиянии на кинетику возникновения и роста термоусталостных трещин. При этом основное воздействие окружающей среды, так же как и термических напряжений, сосредоточено в поверхностных слоях детали. Коррозионно-усталостные процессы, характерные для элементов теплосилового оборудования, интенсифицируются при асимметричном цикле нагружения, наличии дефектов в защитной окисной пленки на поверхности металла, остановах и т. д.

В ряде случаев возникновение и развитие повреждений определяется коррозионно-термической и коррозионно-малоцикловой усталостью, каждая из которых проявляется наиболее эффективно в разные периоды эксплуатации. Явление малоцикловой усталости более характерно для режимов пуска и останова установки, в то время как термическая усталость имеет место также и при стационарных режимах работы.

2) окислительная среда (вода, пар, конденсат), которая приводит к коррозионно-термической усталости металла (разумеется в подавляющем большинстве случаев при асимметричном цикле нагружения);

На основании первых анализов термоусталостных повреждений элементов котлотурбинного оборудования и результатов лабораторных испытаний на термическую усталость образцов из перлитных и аустенитных сталей было определено, что в перлитных сталях, работающих в воде или водяном паре, термоусталостные трещины имеют полостевидную форму с округлыми окончаниями и характерными признаками коррозии, в то время как в сталях с аустенитной структурой образуются тонкие и'глубокие, чаще всего транскристаллитные острые трещины. Различия в форме термоусталостных трещин были объяснены характерной особенностью ферритно-перлитной и аустенитной структур и главным образом различием комплекса теплофизических характеристик стали с а- и у-решеткой. В результате изучения характера трещин коррозионно-термической усталости в широком диапазоне температур были выявлены новые закономерности и показано, что в зависимости от условий испытаний может иметь место та или иная форма трещин как в аустенитной, так и в перлитной стали.

На рис. 59, а и б представлены фотографии типичных трещин термической усталости при охлаждении в воде. Результаты испытаний аустенитных и перлитных сталей на термическую усталость в окислительной среде (коррозионно-термическая усталость) свидетельствуют об общих закономерностях появления и развития повреждений.

является уровень термических напряжений, что характерно для обычной термической усталости. При этом значения К возрастают. С дальнейшим повышением температуры показатель интенсивности распространения трещин достигает максимального значения. После этого углубление трещины замедляется, происходит их расширение с образованием полостей, заполненных продуктами коррозии. Влияние коррозионного фактора постепенно увеличивается, а значение термических „ ,„.* ,

Из установленных закономерностей коррозионно-термической усталости следует вывод о том, что сравнение характеристик сопротивления термической усталости различных сталей в окислительной среде необходимо производить в сходственных температурных интервалах.

§ 15. МЕХАНИЗМ КОРРОЗИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ

При анализе воздействия окислительной среды на процессы возникновения и распространения трещин термической усталости в основу коррозионно-механической трактовки явлений, происходящих в поверхностных слоях металла, положена теория корро-зионно-усталостных процессов.

Разрушение металла в окислительных условиях определяется в основном двумя факторами: знакопеременными термическими напряжениями и воздействием окружающей среды. При коррозионно-термической усталости одновременно происходит два процесса: многократное знакопеременное пластическое деформирова-

Коррозионной усталости металлов посвящены исследования Эванса, А. В. Рябченкова, Н. Д. "Ромашова и В. А. — Рис- 234- Коррозионно-усталостный излом

и турбинами турбобура, бурильными трубами, элементами насоса и др. Основные виды коррозии бурового оборудования при воздействии буровых растворов — это коррозия, протекающая по электрохимическому механизму, эррозион-но-коррозионный и коррозионно-усталостный износ. В присутствии агрессивных компонентов промывочных жидкостей и примесей, попадающих в буровой раствор в процессе разбуривания скважин, происходит снижение контактной прочности конструкционных материалов, особенно высокопрочных сталей. При использовании аэрированных растворов возможно возникновение макропар дифференциальной аэрации, вызванное неодинаковой скоростью подвода кислорода к различным участкам узлов оборудования. Термогальванические элементы возникают за счет различия температур отдельных узлов оборудования, находящегося на различной глубине, а также за счет повышения температуры в зоне контакта трущихся поверхностей.

влияние и величина зависят от вида износа. Существует несколько видов износа, обусловленных функциональным назначением узлов трения машин и механизмов или их рабочих органов, а также особенностями используемых технологических процессов. Однако, как показывает анализ, наиболее типичными видами износа являются адсорбционно - коррозионно - усталостный, абразивный, мтаекуляржп1{эдге^ знойный) аэро- и гидроабразивный, коррозионный. Адсорбционно-корро-зионно-усталостный износ широко распространен в подвижных сопряжениях, хорошо защищенных от проникновения в них абразива. Объясняется это тем, что при скольжении внедрившиеся микронеровности более жесткого тела деформируют поверхностные слои менее жесткого тела. При этом деформация самих микронеровностей значительно меньше, и ею можно пренебречь, считая микронеровности абсолютно жесткими. Деформирование поверхностных слоев менее жесткого тела приводит к изменению концентрации легирующих элементов в отдельных микрообъемах деформируемых слоев. . Это служит очагом зарождения полос течения, которые возникают в наиболее напряженных областях поверхностных слоев. В полосах течения при деформировании передвигаются дислокации, что вызывает повышение их концентрации у границ пересечения. Взаимодействие дислокаций в этих местах приводит к разрыхлению в них материала и образованию микропор. Если подвижное сопряжение работает в смазочной среде, содержащей поверхностно активные (ПАВ) или коррозионно-активные вещества, то молекулы ПАВ резко снижают работу на образование новой поверхности, уменьшая тем самым сопротивляемость этих слоев разрушению.

Коррозионно-усталостный процесс в 3 %-ном растворе NaCI более интенсивен, чем в дистиллированной воде. Электродный потенциал стали 45 в соляном растворе в ненапряженном состоянии в начальные 3—5 мин незначительно повышается от —440 до —433 мВ, затем после 2—3 мин стабилизации начинает устойчиво понижаться и через 30 мин достигает —500 мВ. Через сутки потенциал доходит до —650 мВ, что указывает на высокую электрохимическую активность стали 45 в этой среде. В дистиллированной воде электродный потенциал стали 45 в начальные 3— 5 мин понижается с —240 до —247 мВ, а затем начинает монотонно уве-

Рис. 13. Коррозионно-усталостный излом образцов диаметром

ние окружающей среды (коррозионно-усталостный эффект или

62. Гнып И. П. Феноменологические аспекты влияния параметров циклического нагружения на коррозионно-усталостный рост трещины. // Физико-химическая механика материалов. 1984. № 4. С. 40-44.

Коррозионно-усталостный механизм развития имеет трещины длиной до нескольких миллиметров, расположенные на угоютни-тельной поверхности корпуса реактора, включая ушютнительные канавки. Трещины, развившиеся в течение очень короткого промежутка времени с наружной стороны трубопровода дренажа

Коррозионно-усталостный механизм развития имеют трещины

влияние и величина зависят от вида износа. Существует несколько видов износа, обусловленных функциональным назначением узлов трения машин и механизмов или их рабочих органов, а также особенностями используемых технологических процессов. Однако, как показывает анализ, наиболее типичными видами износа являются адсорбционно - коррозионно - усталостный, абразивный, молекулярный (адгезионный) аэро- и гидроабразивный, коррозионный. Адсорбционно-корро-зионно-усталостный износ, широко распространен в подвижных сопряжениях, хорошо защищенных от проникновения в них абразива. Объясняется это тем, что при скольжении внедрившиеся микронеровности более жесткого тела деформируют поверхностные слон менее жесткого тела. При этом деформация самих микронеровностей значительно меньше, и ею можно пренебречь, считая микронеровности абсолютно жесткими. Деформирование поверхностных слоев менее жесткого тела приводит к изменению концентрации легирующих элементов в отдельных микрообъемах деформируемых слоев. Это служит очагом зарождения полос течения, которые возникают в наиболее напряженных областях поверхностных слоев. В полосах течения при деформировании передвигаются дислокации, что вызывает повышение их концентрации у границ пересечения. Взаимодействие дислокаций в этих местах приводит к разрыхлению в них материала и образованию микропор. Если подвижное сопряжение работает в смазочной среде, содержащей поверхностно активные (ПАВ) или коррозионно-активные вещества, то молекулы ПАВ резко снижают работу на образование новой поверхности, уменьшая тем самым сопротивляемость этих слоев разрушению.

По всей вероятности, механизм противоусталостного действия боратных присадок обусловлен прежде всего способностью бора и его соединений в присутствии воды тормозить развитие усталостных трещин в стали за счет уменьшения наводороживания металла в вершине трещины, В условиях высоких нагрузок традиционные S-Р-содержащие присадки, как правило, не только не обладают противоус-талостным действием, а в большинстве случаев стимулируют коррозионно-усталостный износ металла, особенно в присутствии воды. Являясь эффективными промоторами наводороживания, сера и фосфор стимулируют развитие трещин в поверхностном слое металла за счет водородного фактора износа. Бор по сравнению с другими элементами обеспечивает минимальное наводороживание металла /см.рис. 2/, вследствие чего повьш1ается противоуста-лостная эффективность композиции.

не объясняют некоторых явлений, наблюдающихся при коррозионной усталости стали. Если бы снижение усталостной прочности стали зависело только от анодных процессов при электрохимической коррозии, тогда протекторная или катодная защита за счет внешнего источника тока полностью ликвидировали бы коррозионно-усталостный процесс; усталость стали в коррозионных средах при защите протекала бы так же, как и в нейтральных средах. Но этого не наблюдается; как показали наши исследования 174, 75], а также исследования А. В. Рябченкова (132, 133], защита стали + при помощи цинкового протектора не ликвидирует полностью снижение выносливости в коррозионных средах, и усталостная прочность в этом случае всегда получается ниже, чем в воздухе. То же самое наблюдалось в наших опытах [89, 49, 60—63, 90, 91] при катодной защите за счет внешнего источника тока, на что мы указывали во введении, причем отмечавшаяся некоторыми авторами 1132, 170] возможность полного восстановления выносливости при катодной защите объясняется образованием щелочной защитной рубашки вокруг испытуемого неподвижного образца, что подробно рассмотрено выше (см. стр. 113).