Коррозионно усталостную

Процессы малоцикловой коррозионной усталости на сплаве титана ВТ1-0 в целом протекают по такому же механизму, как и у стали 18-10, несмотря на различную природу материалов, хотя это различие и сказывается на конкретном ходе зависимостей. Так, максимальные значения уровня микродеформаций здесь достигаются при много меньших числах циклов нагружения, чем на стали 18-10, а их абсолютные величины почти в 2 раза выше. Это приводит к относительно раннему коррозионно-усталостному разрушению сплава, причем на воздухе его усталостная долговечность примерно в 1,5 раза выше, чем в электролите, но и в том, и в другом случае титан обладает значительно более низкой усталостной долговечностью по сравнению со сталью 18-10 (почти на порядок). Такое поведение технического титана можно объяснить следующим. Известно, что по своим термодинамическим свойствам титан является химически активным металлом. Однако на его поверхности очень интенсивно образуется тонкая оксидная пассивирующая пленка, отличающаяся более высокой, чем у других металлов, устойчивостью. При этом электрохимическими исследованиями установлено, что титан подвергается сильному химическому действию только в тех средах, в которых защитный слой пленки разрушается и не восстанавливается. В нашем случае в условиях усталостного малоциклового нагружения в связи с развитием больших микропластических деформаций (максимальных ла поверхности)' хрупкая оксидная пленка разрушается и открывается доступ кислорода воздуха или электролита при коррозионной усталости к термодинамически неустойчивой матрице основного металла. Даже кислород, резко снижая пластичность титана, способствует значительному падению усталостной долговечности на воздухе по сравнению со сталью 18-10. Это подтверждается микротопографи-

Сопротивление усталости металлов, особенно цветных, можно повысить путем создания сжимающих напряжений в поверхностных слоях. Дробеструйная обработка поверхности металла, предшествующая напылению металла, создает наклеп на на его поверхности, вследствие чего может увеличиться корро-зионно-усталостная стойкость. Нанесение соответствующего протекторного металлизационного покрытия также может улучшить сопротивление действию коррозии там, где существуют условия, способствующие коррозионно-усталостному разрушению. При фретинг-коррозии концентрационные кислородные элементы, образуемые в мелких трещинах, и металлическая пудра, появляющаяся вследствие истирания при незначительном взаимном перемещении узлов соединения, вызывают локальную коррозию. Металлизационное покрытие создает более высокие антифрикционные свойства, снижающие возможность относительного сдвига, и обеспечивает протекторную защиту. Оба эти фактора способствуют уменьшению разрушения.

Так, например, эксперименты по влиянию катодной поляризации на сопротивление Ст. 45 (состояние поставки) циклическому нагружению в 3 %-м водном растворе NaCl показали, что только при плотности поляризующего тока, близкой к 45 А/м2, условный предел коррозионной выносливости стали приближается к пределу выносливости на воздухе. При меньших плотностях тока он ниже вследствие коррозионного воздействия среды, при больших —.ниже вследствие водородного охрупчивания, При наложении анодного потенциала (анодной поляризации) сопротивление стали коррозионно-усталостному разрушению снижается в результате интенсификации анодного процесса [71].

Важную роль в сопротивлении металла коррозионно-усталостному разрушению играют размеры и геометрия изделия, состояние их поверхности, наличие контактирующих элементов и другие факторы, которые можно объединить в группу конструкторско-технологических.

Однако на практике очень часто встречаются случаи заметного понижения сопротивления усталости металлов, которые нельзя объяснить электрохимической теорией.Многие коррозионные среды, в частности кислые, приводят к коррозионно-усталостному разрушению металлов, хотя питтин-

Установлено (табл. 8), что в 3 %-ном растворе NaCI существенных преимуществ электронагрева перед печным нагревом нет: при обоих видах нагрева условный предел коррозионной выносливости составляет в среднем 160—180 МПа. В пластовой воде сопротивление коррозионно-усталостному разрушению сталей, подвергнутых термической обработке с использованием электронагрева, приводящему к диспергированию структуры, значительно выше, что связывают с уменьшением агрессивности коррозионной среды. Основанием для такого заключения является и тот факт, что при переходе к испытаниям в воздухе эффективность применения электроконтактного нагрева возрастает.

2. КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ (НЕРЖАВЕЮЩИЕ) СТАЛИ Несмотря на то что нержавеющие стали и сплавы созданы специально для эксплуатации в различных агрессивных средах, их коррозионная усталость изучена меньше, чем углеродистых сталей. В ранних работах, выполненных в 20-х годах Мак Адамом и другими исследователями, показано, что нержавеющие стали хорошо сопротивляются коррозионно-усталостному разрушению в пресной воде и ее парах, 3 %-ном растворе NaCI, а также других сравнительно малоагрессивных средах. Однако некоторые нержавеющие-стали, например мартенситного класса, обладая высокой коррозионной стойкостью в ненапряженном состоянии, имеют низкое сопротивление коррозионной усталости. Часто условный предел коррозионной выносливости этих сталей такой, как и обычных углеро-

В 3 %-ном растворе NaCI самым низким условным пределом коррозионной выносливости (130 МП а) обладает сталь, подвергнутая после закалки и отпуска при 580°С дополнительному отпуску при 400°С, т.е. термически обработанная по такому режиму, который обеспечивает наивысший предел выносливости на воздухе. Повышение температуры вторичного отпуска до 550°С обеспечило максимальный условный предел коррозионной выносливости стали (190 МПа). Применение дополнительного отпуска при температурах ниже температуры первичного отпуска при относительно малом времени выдержки несущественно влияет на изменение фазового состава стали, однако за счет снятия остаточных растягивающих напряжений значительно повышает ее сопротивление усталостному и коррозионно-усталостному разрушению.

Склонность аустенитных хромоникелевых сталей типа 18-9 и 18-10 к снижению сопротивления усталости при воздействии морской воды зависит от их структурного состояния (Гликман Л.А. и др. [130, с. 16— 26]). Условный предел коррозионной выносливости аустенизированной при 15,0—1070°С стали снижается несколько меньше (~ на 20-25 %), чем этой же стали, подвергнутой отпуску 650°С (35 %). Аустенизирован-ная литая сталь хуже сопротивляется коррозионно-усталостному разрушению в 3 %-ном растворе NaCI, чем кованая аустенизированная. Эта

Нами [131] показано (рис. 25}, что у стали 08X18Н1 ОТ, несмотря на высокое содержание легирующих элементов, под действием 3 %-ного раствора NaCI заметно снижается сопротивление усталостному разрушению. При этом поверхность образца покрывается мелкими питтингами, служащими очагами зарождения коррозионно-усталостных трещин. Для этой стали характерен довольно узкий диапазон возможного уровня циклических нагрузок, в котором сталь работает выше предела выносливости. При повышении переменного напряжения до 260—270 МПа (что всего на

20—30 МПа превышает предел выносливости) вследствие больших потерь на внутреннее трение образцы разогреваются и теряют устойчивость. Жидкая коррозионная среда при уровнях напряжений выше предела выносливости охлаждает образец и увеличивает его долговечность. Периодическое смачивание 3 %-ным раствором NaCI нагретой до 230—250°С стали при низких амплитудах циклических нагрузок также резко снижает ее сопротивление усталостному разрушению. Условный предел выносливости снижается с 185 до 145 МПа. При уровнях циклических напряжений выше предела выносливости электрохимическое воздействие коррозионной среды не успевает существенно проявиться ввиду сравнительно небольшого времени до разрушения, в то время как из-за охлаждающего эффекта ограниченная долговечность стали увеличивается. Аналогичные результаты получены и другими ав^торами. Следует отметить, что такое заключение не является универсальным для разных металлов. Оно справедливо для тех металлов и сплавов, для которых повышение температуры образца (от комнатной и выше), например, в результате циклического деформирования, сопровождается монотонным снижением сопротивления усталости. К таким материалам относятся, в частности, хромоникелевые стали.

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

С целью его определения был проведен поверочный расчет выбранного трубопровода на коррозионно-усталостную долговечность в обратной последовательности.

ли 45 во влажном воздухе, содержащем сернистый газ. Помимо указанных покрытий, коррозионно-усталостную прочность углеродистой стали повышают покрытия различными лаками, битумами, протекторная защита и др. На рис. 88 показано влияние различных факторов на коррозионно-усталостную прочность канатной проволоки в морской воде.

Для алюминиевых бурильных труб с увеличением рН от 1 до 13 меняется характер коррозионного поражения: слоевая коррозия — в сильнокислой области, точечная —при рН=3—11, равномерная — в сильнощелочной среде. Алюминиевые бурильные трубы целесообразно применять при использовании буровых растворов с рН от 4 до 10,5, так как сдвиг потенциала в отрицательную область приводит к увеличению тока контактной коррозии. Существенное влияние рН раствора оказывает на коррозионно-усталостную выносливость как алюминиевых сплавов, так и стали.

ТМУ позволяет в 2—2,5 раза повысить коррозионно-усталостную выносливость резьб бурильных труб. Данные по пределу выносливости стали 40ХН с различными покрытиями на воздухе a_i и в среде стандартного бурового раствора ок приведены в табл. 59.

Коррозионная усталость. Коррозионная среда отрицательно влияет на усталостную прочность практически всех конструкционных металлов и сплавов. Так, в речной воде, являющейся сравнительно малоагрессивной средой, усталостная прочность нержавеющих сталей снижается на 10— 30 %, углеродистых и легированных конструкционных сталей —в 1,5—2 раза, высокопрочных алюминиевых сплавов —в 2—3 раза. Особенно сильное воздействие среды наблюдается при наличии концентраторов напряжений. Как правило, при испытании в коррозионных средах не наблюдается физический предел выносливости, поэтому при большом числе циклов (108—109) нагружения несущая способность образца может оказаться очень низкой. Это заставляет значительно увеличивать запасы прочности конструкций, подвергающихся циклическим нагрузкам и работающих в коррозионной среде.

Уже первые исследования титана как нового конструкционного металла показали его высокую коррозионно-усталостную прочность в раз-

Установка1" для испытания на коррозионно-усталостную прочность консольных образцов при плоском изгибе имеет колебательную систему, представляющую собой вибратор,

Влияние напряжений на коррозию многократно усиливается в местах резких изменений геометрической формы поверхности, являющихся концентраторами напряжения (сварные соединения, поверхностные дефекты, царапины, задиры и т. п.), что вызывает неравномерность коррозии и ее локализацию. В результате этого может возникнуть коррозионная усталость металла, характеризующаяся развитием коррозионного процесса в вершине корро-зионно-механической трещины, приводящей к разрушению. Факты подтверждают коррозионно-усталостную природу возникновения трещин при разрушениях на ряде нефтепроводов [166].

Сталь 08Х2Г2М по сравнению с сталью 20Н2М является более стойкой против коррозионно-механического разрушения. Один и тот же ток анодного растворения на стали 08Х2Г2М фиксировали при значительно больших степенях пластической деформации (рис, 112). Это позволило предположить более высокую малоцикловую коррозионно-усталостную прочность стали 08Х2Г2М, поскольку циклическое ' нагружение сопровождалось накоплением пластической деформации.

Важным признаком коррозионной усталости является практически полное отсутствие связи между механическими характеристиками при статическом и циклическом нагружениях в воздухе и условным пределам коррозионной усталости. Прямой связи нет и между коррозионной усталостью и коррозионной стойкостью металлов в ненапряженном состоянии. Легирование сталей хромом, никелем и другими элементами (не переводя их в класс коррозионно-стойких сталей) на несколько порядков повышает их коррозионную стойкость в нейтральных электролитах, но не оказывает существенного влияния на коррозионно-усталостную прочность 148]. Обычно более прочные металлы (структуры) в большей степени подвержены коррозионной усталости (см. рис. 27). При коррозионной усталости термическая обработка не дает повышения усталостной прочности.