Механохимической повреждаемости

В книге изложены основы механохимии твердого тела применительно к проблеме защиты деформированных металлов от коррозии. На основе термодинамического и кинетического анализа механохимических явлений на границе фаз твердое тело — жидкость и экспериментальных исследований рассмотрена модель механохимического эффекта (ускорения растворения металла при деформации) и описано явление, названное хемомеханическим эффектом. Установлены закономерности влияния напряженного состояния и тонкой структуры металла на коррозионную стойкость и образование коррозионных элементов на поверхности неоднородно деформированных участков металла и сварных соединений. Рассмотрены некоторые методы защиты металлов, вопросы коррозионно-механи-ческой прочности труб, способы механохимической обработки поверхности металла.

По сравнению с первым изданием в данной книге существенно расширен экспериментальный материал и дополнен главой, содержащей сведения о корро-зионно-механической прочности трубопроводов и оборудования (в частности, оборудования нефтяной промышленности). Более детально и с прикладным уклоном проведены расчеты прочности и долговечности напряженных металлических конструкций и трубопроводов в условиях механохимической коррозии. Приведены результаты новых экспериментальных наблюдений за пластифицирующим действием хемомеханического эффекта и уточнены представления о его природе. Изложены основы и указаны пути применения механохимической обработки поверхности стали.

хемомеханического эффекта механохимическая обработка дает более высокую производительность при удалении прокатной окалины по сравнению с раздельными механической (в два раза) и химической (в четыре раза) очистками, а также повышает коррозионную стойкость стали в результате релаксации напряжений и*тпассивации поверхности*с улучшением адгезии противокорро-зионного'покрытия. Так, коррозионные*испытания обработанных и покрытых*эпоксидным лаком образцов показали, что после пребывания их в течение60 сут в 3%-ном NaCl при 60—70 °С на окрашенной поверхности видимых изменений не было, тогда как на образцах, очищенных только щетками, наблюдались пузыри и вздутия диаметром до 5 мм. Подробнее сущность и технология механохимической обработки описаны в гл. V.

Одним из путей ускорения доступа ХАС к слою вюстита, является механическое разрушение сплошности пленок окислов, находящихся в наружных слоях окалины. Поскольку микропроцессам разрушения пленок окислов предшествует микропластическая деформация их кристаллических решеток, было предположено, что в условиях механохимической обработки (одновременного механического воздействия инструмента и химически активной среды) должен возникать эффект облегчения зарождения и развития микротрещин в окисленном слое металла.

Ниже рассматривается влияние различных режимов механохимической обработки щетками и травильно-пассивирующими растворами на состояние внутренней поверхности труб и интенсивность удаления продуктов коррозии [173]. Обработке подвергали внутреннюю поверхность образцов, вырезанных из горячекатаных труб из стали 20 по ГОСТ 8732—70 с состоянием исходной поверхности по ГОСТ 8731—74.

Рис. 115. Внешний вид внутренней поверхности горячекатаной трубы после обработки в режиме наклепа (а), режиме микрорезания (б) и механохимической обработки (в, г)

Подтверждением указанной природы снижения микротвердости явились данные рентгеноструктурного анализа микроискажений кристаллической решетки поверхности, полученные методом рентгеновской дифракции на установке ДРОН-1. Относительная микродеформация решетки в исходном состоянии составила 1,22-Ю"3; после обработки щетками в режиме резания без ХАС 1,75-10~3; после механохимической обработки 1,24-10~3, т.е. релаксация напряжений в тонком поверхностном слое вследствие хемомеханического эффекта привела к почти полному возрату физико-механических свойств.

Рис. 118. Профилограммы поверхности после обработки щетками (У) и после механохимической обработки (2)

Рис. 119. Поверхность стали (Х10 000) после механической обработки щетками (а) и механохимической обработки (б)

Микрорельеф поверхности после механохимической обработки не имел бороздок пластического течения металла, которые растворялись в результате воздействия ХАС. Сглаживание субмикроскопических неровностей отмечалось и на профилограмме поверхности (см. рис. 118).

На образцах после механохимической обработки (см. рис. 119,6) были видны кристаллы железофосфатных пленок, образующихся при применении растворов на основе ортофосфорной кислоты.

Освещены физические и феноменологические закономерности деформации и разрушения при испытаниях. Даны методы оценки предельного состояния оборудования и сосудов при испытаниях цилиндрических базовых деталей с учетом анизотропии свойств металла, наличия дефектов, цикличности нагру-жения. Разработаны методы определения остаточного ресурса оборудования в условиях механохимической повреждаемости.

ОБОРУДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ

На стадии деформационного (параболического) упрочнения материала [7, 8] скорость механохимической повреждаемости материала увеличивается практически пропорционально росту интенсивности предварительной пластической деформации. Коэффициент Кст в уравнении (5.3) представляет собой тангенс угла наклона экспери-

чувствительность предварительно деформированного материала к механохимической повреждаемости. Коэффици^ ент Кд, по данным Э.М. Гутмана, Дж. Бокриса и других, для углеродистых сталей можно принимать равным единице. Экспериментальные исследования механохимической повреждаемости (МХПМ) углеродистых и низколегированных сталей при упругих деформациях показали, что значение Кн в инженерных расчетах можно определять по формуле, предложенной в работе [7]:

Ниже на основании предложенной математической модели механохимической повреждаемости материала выполнен анализ кинетики изменения напряженного состояния и скорости повреждаемости конструктивных элементов на всех стадиях нагружения, включая разрушение.

механохимической повреждаемости за цикл нагружения v*p . В расчетах необходимо учитывать скорость деформа-

Для циклически упрочняющихся сталей на участках нагружения и разгрузки происходит упругое деформирование. При этом динамический МХЭ отсутствует. Степень механохимической повреждаемости на участке подъема давления :

1. Зайнуллин Р.С. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости. Уфа, 1997.-426 с.

На стадии деформационного (параболического) упрочнения конструкционной стали скорость механохимической повреждаемости материала увеличивается практически пропорционально росту интенсивности предварительной пластической деформации материала элемента аппарата. Коэффициент Кет в уравнении (6.13) представляет собой тангенс угла наклона экспериментальной зависимости

тельно пластически деформированного материала к механохимической повреждаемости. Для выполнения ориентировочных расчетов можно принимать Кст = 5-6 - для углеродистых сталей, Кст = 6-7 - для низколегированных сталей.

Экспериментальные исследования механохимической повреждаемости (МХПМ) углеродистых и низколегированных сталей при упругих деформациях показали, что значение Кн в инженерных расчетах можно определять по формуле, предложенной Э.М.Гутманом: