Водородной усталости

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.

При большой затрудненности реакции рекомбинации водородных атомов (528) и электрохимической десорбции (529) увеличивается возможность растворения Надс в металле и последующей диффузии водорода в глубь металла (см. рис. 174), что часто приводит к появлению водородной хрупкости металла.

6) большая возможность появления водородной хрупкости металлов.

который зависит не столько от абсолютных значений прочности сталей, сколько от способа достижения данной прочности. Было установлено, что равномерное распределение дислокаций в объеме металла, достигаемое после высокотемпературной термомеханической обработки, уменьшает склонность сталей к водородной хрупкости, снижая тем самым возможность хрупкого разрушения и поглотительную способность стали по отношению к водороду. По данным М. Смяловского, проникновение водорода в сталь усиливают гидриды некоторых элементов V и VI главных групп периодической системы (Р, As, Sb, S, Se, Те), что приводит к водородной хрупкости сталей или появлению в них пузырей. Последний эффект, как установил И. С. Шпарбер, вызывают ионы S2~ - и HS~.

Медь и богатые медью сплавы также подвержены водородной коррозии или так называемой водородной хрупкости. Явление водородной хрупкости меди связано с восстановлением содержащихся в ней и распределенных по границам зерен включений закиси меди. Последняя при взаимодействии с водородом восстанавливается до металлической по реакции

РИС. \74. Зависимость глубины распространения водородной хрупкости меди в атмосфере водорода от времени

При высоких температурах на никель оказывает коррозионное действие водяной пар. В атмосфере водорода никель подвержен «водородной хрупкости». Возникновение ее связано с диффузией водорода в никель, адсорбцией его по границам зерен и образованием малоустойчивых гидридов. Хлор и хлоро-водород при высоких температурах на никель не действуют.

Общей теории водородной хрупкости, достаточно обоснованной, пока еще не существует, потому что водород (точнее протон) в твердых металлах ни одним из известных экспериментальных методов не обнаруживается.

Электроды группы Ц с органическим покрытием содержат в своем составе до 50% органических веществ (пищевая мука, целлюлоза) и при их разложении и окислении выделяется большое количество газа, обеспечивающего хорошую защиту от воздушной среды. Для предотвращения водородной хрупкости или появления пор при сварке надо вводить окислители: TiCb, FeO, MnO2. Для уменьшения влияния водорода в покрытия вводят также плавиковый шпат Сар2. Надежная газовая защи-

Хрупкое разрушение не сопровождается заметной пластической макродеформацией и происходит при действии средних напряжений, не превышающих предела текучести. Траектория разрушения близка к прямолинейной, излом нормален к поверхности и имеет кристаллический характер (рис. 13.38, в). Хрупкое разрушение, как правило, внутрикристаллическое. Разрушение происходит под действием нормальных напряжений и распространяется вдоль наименее упакованной кристаллографической плоскости, называемой плоскостью скола (отрыва). При некоторых условиях хрупкое разрушение бывает межкристаллитным (например, при водородной хрупкости). Хрупкое разрушение.

Эффект водородной хрупкости стали наиболее существенно проявляется в интервале температур от минус 20 до плюс 30°С и зависит от скорости деформации [18, 20]. Различают обратимую и необратимую водородные хрупкости. Охрупчивающее влияние водорода при его содержании до 8—10 мл/100 г в большинстве случаев процесс обратимый, то есть после вылеживания или низкотемпературного отпуска пластичность металла конструкции небольшого сечения восстанавливается вследствие десорбции водорода. Обратимая хрупкость стали обусловливается, в основном, наличием водорода, растворенного в кристаллической решетке. Необратимая хрупкость зависит от содержания в стали водорода в молекулярном состоянии, который агрегирован в коллекторах, где он находится под высоким давлением, вызывающим значительные трехосные напряжения и затрудняющим пластическую деформацию стали. Пластические свойства металла при необратимой хрупкости не восстанавливаются даже после вакуумного отжига, так как в структуре стали происходят необратимые изменения [21, 22]: образование трещин по границам зерен, где наблюдается наибольшее скопление водорода, и обезуглероживание стали.

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.

Как известно, склонность сталей к статической водородной усталости возрастает при увеличении прочности и уровня приложенного напряжения. В настоящее время для оборудования, эксплуатируемого в серово-дородсодержащих средах, в основном применяют стали с твердостью не более 22HRC и прочностью, не превышающей 630 МПа. Однако в последнее время в литературе встречаются данные, свидетельствующие о стойкости к СВУ стали с более высокими прочностными характеристиками. Так, стали марок 25ХГС, 35ХГС, 35ХГМ, 35ХГФМ, 110X13, 110X18 с пределом текучести более 630 МПа не подвергались сероводородному растрескиванию при напряжениях, близких к пределу текучести.

нию водорода и склонности к статичной водородной усталости (СВУ) [40] . Показано, что наибольшее положительное влияние на СВУ и содержание водорода в низколегированной стали марки 09Г2С оказывает сурьма в количестве 0,25-0,33 %.

По критерию 'водородопроницаемости эффективным барьером на-водороживанию являются алюминий, цинк, медь, растворимость водорода в которых на два-три порядка ниже, чем у стали. Кадмиевые покрытия также обладают высоким экранирующим действием. Именно с этим связано использование кадмирования для предотвращения наводорожи-вания образцов при изучении статической водородной усталости стали.

ческой водородной усталости стшш с хермодиффузионным хромом, в то время как хромированная электролитическим способом сталь обнаруживает низкую стойкость в этих условиях. Проведенные исследования в среде сероводорода (рН = 4, 2) показали, что предел статической водородной усталости стали (на базе 200 ч испытаний) составляет для незащищенной стали 0,28, для хромированной термодиффузионным способом 0,55 от <тотр; при этом время до разрушения составляет (при аотн = = 0,7 аот ) 8,5 и 731 мин соответственно. Сталь, хре миров энная электролитическим методом, обнаруживает более низкую стойкость к статической водородной усталости, чем незащищенная сталь и сталь с термодиффузионным покрытием. Это связано с высокой растворимостью водорода в электролитическом хромовом покрытии. Об этом свидетельствуют данные по распределению водорода до и после термообработки в хромовом осадке и в стали (табл. 17), полученные при анализе электролитически хромированных образцов из стандартного электролита состава, г/л: СгО3 - 150, H2S04 - 15 при плотности тока 60 А/дм2 и температуре 328 К [17] .

Металлические покрытия обеспечивают защиту стали в условиях статической водородной усталости при различном уровне нагружения.

На рис. 24 приведены сравнительные данные по пределу статической водородной усталости стали с различными металлическими покрытиями. Статическую водородную усталость исследовали в H2S — 2,5 г/л на стандартных образцах с ^адрезом. Напряжение меняли через интервал, равный 0,1 от прочности надрезанного образца.

Общий вид зависимостей а - lg т одинаков для всех покрытий и по мере увеличения защитного эффекта сдвигается параллельно в сторону увеличения Igr, что соответствует повышению предела статической водородной усталости. По росту защитного эффекта в условиях статической водородной усталости на базе испытаний 200 ч покрытия располагаются в такой последовательности: Cd, Ni, A1. Данные по пределу статической водородной усталости на базе 200 ч и времени до разрушения при аотн = = 0,7 и 0,8аотр приведены ниже.

0,7 °ТН 8,5 0,8 1,5 Предел статической водородной усталости ................ 0,3

Высокий защитный эффект в условиях статической водородной усталости обеспечивают стали покрытия, полученные методом диффузионного насыщения.

Рис. 24. Кривые статической водородной усталости стали с различными металлическими покрытиями: 1 — без покрытия; 2 — кадмиевое; 3 — химическое никелевое; 4 — алюминиевое электрофоретическое; 5 — алюминиевые сплавы