Водородная усталость

В расплавленной меди водород имеет высокую растворимость, которая резко понижается при кристаллизации. Выделение водорода при затвердевании сварочной ванны может привести к образованию газовой пористости. Водород, оставшийся в растворенном состоянии в твердом металле, вступает в реакцию с двуоксидом меди, в результате чего выделяются водяные пары (Н2О). Последние не растворяются в меди и скапливаются под высоким давлением в микропустотах, что приводит к так называемой водородной хрупкости. Водородная хрупкость может привести к образованию трещин в твердом металле в процессе охлаждения.

грузок. С повышением температуры водородная хрупкость меди увеличивается (рис. 174).

В газовых средах при комнатной температуре цирконий стоек, но с повышением температуры он взаимодействует с большинством промышленных газов. С кислородом цирконий легко взаимодействует при температуре порядка 400—500° С. При нагреве на воздухе цирконий взаимодействует также с азотом. С водородом цирконий интенсивно взаимодействует даже при температуре 125—150° С. Содержание 0,001% Н резко ухудшает прочность циркония, металл охрупчивается (водородная хрупкость). В газообразном аммиаке цирконий стоек вплоть до температуры 1000°С. В хлоре наблюдается заметная коррозия циркония с образованием летучих при 200°С соединений. С окисью углерода цирконий при высоких температурах не взаимодействует. В углекислом газе коррозия циркония становится заметной при температуре выше 400° С, а в сернистом газе — выше 500° С.

При температурах выше 500 °С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость). Технический титан хорошо обрабатывается под давлением, сваривается (в среде аргона), но обработка резанием затруднена. Поставляют титан в виде листов, труб, прутков, поковок, штамповок и других полуфабрикатов.

Водорода, как правило, по возможности избегают в металлургических процессах при сварке металлов, так как, растворяясь в металлах при температурах сварки, он может привести к возникновению дефектов сварного соединения (поры, трещины) в процессе кристаллизации. Кроме того, растворяясь в твердом металле, водород резко снижает его пластичность (водородная хрупкость) . Однако в некоторых процессах сварки (атомно-водородная, сварка в перегретом паре и газопламенная сварка) используется восстановительная способность водорода.

Растворенный водород также оказывается нежелательным, так как он резко уменьшает пластичность металлов (стали, медные и алюминиевые сплавы), вызывает пористость в сварных швах и в зоне термического влияния. Так называемая «водородная хрупкость металлов» в настоящее время^ стала важной технической и научной проблемой, так как применение упрочненных сталей, обладающих малым запасом пластичности б, вызывает замедленное разрушение сварных конструкций.

Водород при сварке — всегда вредная примесь («водородная хрупкость»).

Образование молекулярного водорода на поверхности станки оборудования затруднено, так как ион серы (1.6)выступает в роли замедлителя процесса молиэации (так называемый отрицательный катализатор). Пэсле того как атоыарньй водород по дефектным участкам, металла, ые*эёренным границам и другим коллекторам внедряется в мет&дл в овдеугьных его участках в виде пор, флокеноа, микро- и макродо-фвктов, создаются условия для молия&ции Bcwopo,nj (нет контакта с ионами серь). Вследствие этого возникают значительны дезлешы (достигают нескольких тысяч атмосфер) и внутренние напряжения,, Как следствие, разиивается водородная хрупкость (сульфидное рас-

22. Саррак В. И. Водородная хрупкость и структурное состояние стали // МИТОМ.- 1982.- № 5.- С. 11-17.

Металл подгруппы VA (V, Mb, Та) активно взаимодействует с водородом. Процесс поглощения водорода начинается при температурах 300 - 500°С. Сплавы, содержащие водород, выше определенной для каждого сплава концентрации, становятся хрупкими (водородная хрупкость).

и вследствие пересыщения твердого раствора внедрения, образовавшегося при проникновении атомарного водорода в сталь. При увеличении содержания водорода до десятков кубических сантиметров в 100 г металла водородная хрупкость становится определяющим фактором, стимулирующим разрушение металла. При этом нагрев стали не приводит к восстановлению исходных механических свойств.

Один из основных видов коррозионного разрушения газонефтепромыслового оборудовагая — статическая водородная усталость (СВУ), т.е. снижение длительной прочности стали в результате водородного ох-рупчивания в условиях статического нагружения металла. Предел статической водородной усталости, соответствующий максимальному напряжению, при котором не наблюдается коррозионного растрескивания, зависит от многих взаимосвязанных факторов: химического состава, термической обработки и механических свойств стали, уровня приложенных напряжений, количества поглощенного водорода, состояния поверхности и др. Влияние этих факторов не только взаимосвязано, но в некоторых случаях и противоположно. Поэтому нельзя рассматривать предельные напряжения, при которых не происходит сероводородного растрескивания, как абсолютные значения допускаемых напряжений, которые могут быть использованы при проектировании оборудования их следует рассматривать как сравнительные величины при сопоставлении стойкости различных металлов.

растрескиванием. Статическая водородная усталость — одно из самых опасных последствий наводороживания, так как металл внезапно и хрупко разрушается при напряжениях, меньших допускаемым прочностным расчетом. Поэтому обычные прочностные расчеты для деталей, работающих в контакте с агрессивными средами, неприменимы.

/ — коррозионная усталость; 2 — водородная усталость; 3 — адсорбционная усталость

Под водородной усталостью понимается процесс усталостного разрушения в средах, разупрочняющее воздействие которых сводится в основном к водородному охрупчиванюо сталей. На-водороживание металла происходит в результате коррозионного процесса с водородной деполяризацией или же при катодной защите конструкции, когда на ее поверхности в результате интенсивного катодного Процесса восстанавливается водород. На практике водородная усталость проявляется при катодной защите различных сооружений и конструкций, при использовании деталей, подвергнутых ранее наводороживающей обработке (кислотная очистка травлением, нанесение гальванических покрытий), при эксплуатации емкостей в газообразных средах, содержащих водород. Водородная усталость реализуется также в кислых средах [17,18].

Водородная усталость. Как указано выше, выделение водорода в зоне коррозионно-механического разрушения металлов возможно вследствие катодных процессов при электрохимической коррозии, а также гидролиза коррозионной среды в вершине развивающейся трещины или других дефектах. Участие в разрушении металлов может принимать также находящийся в них металлургический водород. В последнее время водород все чаще используют как технологическую среду. Обширны перспективы применения водорода в качестве топлива в энергетике и транспортной технике, что продиктовано, главным образом, требованиями защиты окружаю-щй среды от загрязнения. Как известно, водород в процессе горения вредных примесей не выделяет и поэтому с экологической точки зрения является идеальным топливом.

Таким образом, при J к < J копт проявляется коррозионная, а при J > J водородная усталость. Катодная поляризация хотя и увеличи-

В кислых средах, где коррозия протекает с водородной деполяризацией, наблюдается водородная усталость, особенно сильно проявляющаяся при высоких амплитудах циклических напряжений.

И ВОДОРОДНАЯ УСТАЛОСТЬ СТАЛИ

Водородная усталость стали при циклически изменяющихся напряжениях может наблюдаться в чистом виде при катодной защите стальных объектов, подверженных циклическим напряжениям в коррозионных средах. Катодная защита устраняет частично или полностью анодные процессы на защищенном объекте, т.е. коррозионное разъедание и растворение металла, но не устраняет, а наоборот усиливает такие катодные процессы, как выделение ионов водорода на металле. Последнее приводит к наводороживанию металла, что вызывает появление водородной хрупкости, характеризующейся снижением пластичности и сопротивления отрыву. Проявление водородной хрупкости при циклическом нагружении металла и является, в сущности говоря, водородной усталостью.

Водородная усталость проявляется при условии, что концентрация водорода в металле на всем протяжении циклического нагруже-ния не падает ниже некоторого минимального уровня. Если же десорбция водорода из металла происходит быстрее, чем развитие усталостного процесса, водородная усталость не проявляется, что наблюдается при длительной эксплуатации некоторых предварительно наводороженных деталей при сравнительно небольших амплитудах циклических напряжений.

Мы кратко обрисовали явления адсорбционной и водородной усталости. Коррозионная усталость, как мы уже говорили, обязательно сопровождается явлением адсорбционной усталости, тогда как водородная усталость сопровождает коррозионную усталость лишь при коррозии с водородной деполяризацией или при катодной защите.