Коррозионно усталостного

Коррозионно-усталостное разрушение материалов ТГО происходит в результате сложных процессов, среди которых важнейшим является механоэлектрохимическое взаимодействие напряженного металла с коррозионно-активной средой. С учетом стадийного характера замедленного усталостного разрушения и показанной кинетики изменения физико-механических и электрохимических свойств трубных материалов по мере накопления ими усталостных повреждений выявлялась кинетика изменения тонкой структуры, физико-механических и электрохимических свойств рассматриваемых материалов в процессе их коррозионной усталости.

Тонкие структурные изменения, происходящие при коррозионной усталости, являются следствием механохимических процессов, имеющих автокаталитический характер: деформационное упрочнение поверхности металла, повышая его химический потенциал, приводит к ускоренному механохимическому растворению запирающего слоя, то есть к стимуляции хемомеханического эффекта. Последний, в свою очередь, за счет пластифицирующего действия способствует более энергичному деформационному упрочнению поверхностных слоев металла и последующему еще более ускоренному механохимическому их растворению и повторению описанного цикла. Уровень микроискажений кристаллической решетки при этом колеблется по амплитуде более интенсивно, чем на воздухе, вызывая ускоренное коррозионно-усталостное разрушение. Коррозионно-усталостная долговечность в итоге оказывается примерно в 2 раза меньше, чем долговечность на воздухе. Наблюдается аналогичная зависимость и микротвердости от числа циклов нагружения этой стали.

Коррозионное растрескивание и коррозионно-усталостное разрушение металлов следует отличать от межкристаллитной коррозии металлов, протекающей без наличия механических напряжений в металле. Разрушения металлов типа коррозионного растрескивания и коррозионной усталости имеют много общего, поскольку характерным для обоих явлений является образование в металле трещин и отсутствие на его поверхности значительных разъеданий. Только изредка наблюдаются небольшие местные разъедания. Несмотря на большое количество исследований, механизм трещинообразования и развития трещин еще недостаточно ясен. Однако в большинстве исследований (Ю. Р. Эванс, Г. В. Акимов, Н. Д. Томашов, А. В. Рябченков, Е. М. Зарецкий, В. В. Герасимов и др.) подтверждается электрохимический характер коррозии. Наряду с электрохимическим фактором на коррозионный процесс оказывают влияние и факторы механического и адсорбционного снижения прочности металла. В зависимости от преобладающего действия того или иного фактора характер коррозионного разрушения может изменяться.

Показано [165], что на основе этих соединений и комплексов могут быть созданы высокоэффективные экологически чистые ингибиторы коррозии (включая коррозионно-усталостное разрушение, фреттинг-коррозию) углеродистых сталей в водных средах с различными значениями рН и в биологически активных средах. Они хорошо зарекомендовали себя в различных областях техники как ингибиторы солеотложения. Кроме того, соединения и комплексы, содержащие переходные металлы и их соли, снижают пористость защитных лакокрасочных покрытий, повышают продолжительность их набухания, способствуют сохранению адгезии, а также позволяют улучшать антифрикционные, противоизносные и противопиттинговые свойства масел.

Коррозионно-усталостное разрушение начинается, как правило, после существенного повреждения поверхности, образования на ней язв, каверн и межкристаллитной коррозии. От этих очагов может практически одновременно начаться развитие многих трещин. Вследствие этого изломы коррозионной усталости имеют, как правило, много очагов (рис. 103).

Рис. 105. Коррозионно-усталостное разрушение детали из сплава Д16Т:

Рис. 107. Коррозионно-усталостное разрушение заклепок из сплава В94:

Во многих случаях конструктивные размеры определяются требованиями прочности. В случаях, когда существует риск коррозионного растрескивания под напряжением (см. 4.11), необходимо убедиться, что растягивающие напряжения не превосходят верхнего предела, который с точки зрения коррозионного растрескивания допустим для данного сплава. При переменной нагрузке необходимо убедиться, что не превышен предел усталости. Иначе может произойти усталостное или коррозионно-усталостное повреждение (см. ри. 4.11). Опасность растрескивания от коррозии под напряжением, усталости или коррозионной усталости особенно велика там, где имеются концентраторы механических напряжений, например надрезы и маленькие отверстия, а также места резкого изменения формы. Эти неоднородности должны быть учтены путем введения коэффициента формы при силовом расчете размеров конструкции. В случае сварных конструкций необходимо также принимать во внимание, что прочность материала, а также его сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением, усталости и коррозионной усталости в месте шва или около него бывает часто пониженным.

Следует отметить, что при высоких уровнях циклических напряжений коррозионно-усталостное разрушение определяется в большей степени механическими свойствами сталей и в меньшей — коррозионными свойствами среды. Со снижением уровня циклических напряжений, т. е. с увеличением времени до разрушения, роль коррозионного фактора увеличивается. С ростом частоты периодического деформирования интенсифицируется разупрочняющее воздействие агрессивной среды и в большей степени для деталей с концентраторами напряжений, чем для 50

Для аустенитных сталей 10Х17Н13МЗТ и 08Х17Н13МЗБ рабочая среда в 1,5 раза снижает условный предел коррозионной выносливости, что объясняется их структурной неоднородностью. Коррозионно-усталостное разрушение аустенитных сталей протекает по скоплениям карбидов, неметаллическим включениям, островкам феррита. Условный предел коррозионной выносливости аустенито-мартенситной стали 08Х17Н5МЗ после закалки, обработки холодом и старения в 1,5-2 раза выше, чем аустенитных сталей вследствие более равномерной коррозии в растворах карбамида.

Атмосфера влажного воздуха, возникающая в результате испарения водного раствора NaCI (температура 40°С, относительная влажность 97—99 %) и не вызывающая заметных коррозионных поражений нержа-вещих сталей в ненапряженном состоянии, обусловливает коррозионно-усталостное разрушение углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей [113]. Коррозионно-усталостному разрушению в указанных условиях подвергаются также такие коррозионностойкие материалы, как титановые сплавы.

Согласно [64], расчет коррозионно-усталостной долговечности магистральных нефтепроводов проводился в рамках модели Коф-фина — Мэнсона в виде (5.1) с учетом поправки на упругую составляющую амплитуды деформации (<т.,/Е, где ст., - предел выносливости, который в соответствие с известными эмпирическими соотношениями был принят равным 0,5 ств). При этом рассчитанное число циклов до разрушения трубы составило N = 6 254. Следует отметить, что, согласно современным представлениям о долговечности магистральных нефтепроводов, эксплуатирующихся в условиях коррозионно-усталостного нагружения, расчетное число циклов до разрушения должно составить около 12 000 циклов (при среднестатистической частоте малоциклового усталостного нагружения, равной около одного цикла в сутки, и нормативном сроке эксплуатации нефтепровода, равном 33 годам) [64]. По данным Урало-Сибирского управления магистральных трубопроводов такая, по порядку величины, цикличность сохраняется и в настоящее время, несмотря на изменение режимов перекачки (часть трубопроводов эксплуатируется в режиме недогрузки). При расчете на прочность, как это отмечено выше, СНиП 2.05.06-85 не оговаривает меру использования несущей способности трубопроводов в условиях коррозионной усталости. Другими словами, в действующем СНиП 2.05.06-85 наряду с отсутствием расчета магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях усталости, не приводится величина максимально допустимого уровня кольцевых растягивающих напряжений, определяемого в мировой практике как отношение напряжения в стенке трубы к пределу текучести стали. Исходя из полученного выше результата возникает необходимость в определении максимально допустимого значения этого отношения для реализации установленного ресурса нефтепровода в условиях коррозионно-усталостного нагружения. Это может быть достигнуто на практике путем снижения давления в трубопроводе, увеличением толщины стенки трубы или. применением стали с более высокой группой прочности. Однако в практике эксплуатации действующих трубопроводов для уменьшения упругопластических деформаций до определенного уровня, обеспечивающего реальную коррозионно-усталостную долговечность нефтепровода с учетом

На основании полученного давления проводим поверочный расчет на прочность в условиях коррозионно-усталостного воздействия. Кольцевые напряжения от внутреннего давления уменьшаются по сравнению с предыдущими и составляют схс = 252,4 МПа. Деформация в стенке трубы составляет sp = 0.00126. Коэффициент концентрации напряжений от формы сварного шва равен оСф = = 1,525, а коэффициент концентрации напряжений от геометрических отклонений сварного соединения для скорректированного давления составил о^, = 1,429. Коэффициент концентрации напряжений сварного соединения при этом оказался равным сс(а) = 2,179. Тогда для полученного значения а(ст) эффективный коэффициент концентрации деформации в упругопластической области уменьшается до величины Кс= 2,98. Амплитуда упругопластической деформации в концентраторе напряжений составила е.. = 0,00375. Для данного значения ga коррозионно-усталостная долговечность трубопровода увеличивается до величины N = 12 234 цикла, которая удовлетворяет установленному для нефтепровода ресурсу.

Освободиться от вышеперечислен!! >ix недостатков позволяет предложенный (совместно с Д.Е Ьугаем) коыроль образующихся при переменном деформировачш: усталостных повреждений материала в виде микродеформаций кристаллической решетки металла Ad/d, если принять ее в качестве кинетического параметра, характеризующего усталостный процесс. Этот параметр обладает высокой чувствительностью к изменению характера распределения и концентрации дефектов кристаллического строения металлов (дислокации, смещенные атомы и вакансии, примесные атомы, дефекты упаковки) и является мерой упругой энергии искажений кристалла (запасенной энергии) в процессе переменного деформирования. В связи с тем, что величина микродеформаций Ad/d определяется с помощью расчета рентгенограмм материалов посредством специальных математических методов (гармонический анализ, аппроксимация, регуляризация и др.), позволяющих с высокой точностью разделять влияние на физическое расширение дифракционных линий собственно микродеформаций и размеров блоков мозаики, появляется возможность однозначной оценки уровня запасенной энергии кристаллической решетки металла. Таким образом можно проследить и за изменением уровня запасенной энергии материала в течение всего усталостного или коррозионно-усталостного процессов вплоть до разрушения. При этом извест-

% 4. МЕХАНИЗМ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ И КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Однако заостряя внимание на процессах коррозионно-усталостного разрушения и коррозионного растрескивания, необходимо коррозионные разрушения рассматривать в связи с кинетикой общей коррозии, приводящей к увеличению уровня номинальной напряженности и опасности коррозионного растрескивания.

за основу модель, согласно которой интенсификация усталостного роста трещины при воздействии коррозионной среды является лишь отражением склонности сплавов к коррозионному растрескиванию [427], то кинетическая диаграмма должна выглядеть, как показано па рис. 48.5, б. В самом общем случае, когда влияние среды проявляется и ниже уровня KIKC, диаграммы приобретают вид, изображенный на рис. 48.5, в. Следует отметить, что представленные здесь типичные диаграммы не отражают всего многообразия диаграмм коррозионно-усталостного роста трещин, скорость которых зависит от многих факторов, таких как частота, асимметрия и форма цикла нагружения, температура испытания, структура материала н механизм воздействия среды. В некоторых случаях скорость роста трещин в коррозионной среде даже понижается в сравнении с инертной средой. Это может достигаться за счет затупления коррозионной трещины вследствии проявления механизма анодного растворения металла, или так называемого закрытия усталостной трещины, вызванного клиновым эффектом продуктов коррозии в вершине трещины и приводящего к уменьшению эффективного амплитудного коэффициента интенсивности напряжений.

При усталостном, коррозионно-усталостном разрушении оптимальное содержание углерода, обеспечивающее максимальную выносливость стали с сформированным импульсным упрочнением белым слоем, находится в пределах 0,45—0,65 %.^1ля стали без белого слоя при испытании на коррозионную усталость нет оптимума, а увеличение содержания углерода приводит к монотонному снижению долговечности стали. Импульсное упрочнение эффективно повышает сопротивление усталости и коррозионной усталости стальных образцов с концентраторами напряжений. В условиях усталостного и коррозионно-усталостного разрушения трещины в стальных деталях с белым слоем зарождаются на границе перехода сжимающих остаточных напряжений в растягивающие. При этом уменьшение вероятности возникновения трещин и отслаивания белого слоя связано с перераспределением напряжений в результате пластических сдвигов в зоне повышенной травимости. Эта зона характеризуется меньшей, чем у белого слоя и мартенсита, твердостью и пониженным уровнем сжимающих остаточных напряжений.

Для увеличения долговечности насосных штанг в условиях коррозионно-усталостного разрушения применяют поверхностную закалку с нагревом токами высокой частоты.

Приведены сведения о коррозии и коррозионно-усталостном разрушении металлов. Дан анализ современных методов и средств изучения коррозионной усталости. Рассмотрено влияние на коррозионную выносливость металлов структуры сплавов, агрессивности среды,; масштабного фактора, частоты приложения механической .нагрузки и др. Приведены закономерности коррозионно-усталостного разрушения сталей, подвергнутых упрочняющим поверхностным обработкам. Изложены вопросы электрической защиты металлов от коррозионно-усталостного разрушения.

Типичным примером могут служить процессы коррозионно-усталостного разрушения металлов и сплавов, когда результат? не является простым сложением коррозии и механического разрушения, а представляет собой более сложный физико-химический процесс, интенсивность которого выше суммы интенсивности п-ри действии каждого фактора в отдельности. При некоторых взаимодействиях имеет место ведущий вид процесса, когда его особенности оказывают основное влияние на выходные параметры [90 ]. В этом случае отыскание закономерностей, описывающих данное явление, несколько облегчается.

Макрокартина коррозионно-усталостного излома помимо большого количества очагов в большинстве случаев характерна тем, что поверхность разрушения повреждена коррозией и испещрена сеткой мелких и крупных трещин; наблюдаются продукты коррозии, окисление. Макроскопические усталостные признаки — усталостные кольцевые линии при внутризеренном прохождении разрушения — достаточно отчетливо выражены, при межзерен-ном разрушении они выражены менее четко.