Коррозионно-механические характеристики конструкций и сварных соединений под напряжением

РГУ нефти и газа им И.М.Губкина

Факультет проектирования, сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта.

Кафедра сварки и мониторинга нефтегазовых сооружений.

 

 

 

 

Доклад

На  тему: «Коррозионно-механические характеристики конструкций и сварных соединений под напряжением».

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                            Принял:     профессор, д. т.н.

                                                                                                             Зорин Е.Е.

                                                                    Выполнил: ст. гр.ТМ-09-6

                                                                                                     Кравченко П.А.

 

 

 

 

Москва 2012

Содержание.

1.Введение……………………………………………………………………….3

2.Основыне факторы  коррозии под напряжением……………………………4

3.Механизмы  коррозии под напряжением…………………………….......…..7

4.Наводороживание  металла в процессе коррозии…………………………..12

5.Заключение…………………………………………………...…………..…..15

6.Список используемой литературы………………………………………….16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Большое число  элементов конструкций ответственного назначения, различного рода деталей  современного машиностроения подвержено сложному силовому и коррозионному  воздействию. В настоящее время требования к коррозионной стойкости металлических конструкционных сплавов, предъявляемые в частности в строительстве, становятся все более высокими. Вопросы повышения качества, увеличение сроков службы материала в элементах конструкций в условиях окружающей среды, с одновременным уменьшением вероятности коррозионных повреждений приобретают все большую актуальность.

В современном  мире в промышленно развитых странах все более острой становится проблема сокращения разрушения металлоконструкций от коррозии и увеличения сроков их службы. Появляются новые, особо коррозионные среды, повышаются механические нагрузки, при которых работают ответственные металлоконструкции.

Итак, о конструкциях, работающих в условиях сложного напряженного состояния при воздействии активных технологических и природных сред , вызывающих необратимые физико-химические изменения материала вследствие коррозионных , и множества других процессов, а также при их комплексном воздействии, приводящем  к потере несущей способности конструкций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные  факторы коррозии под напряжением.

 

Сопротивляемость R и обратная ей величина – склонность K металлических конструкций к разрушению в активных средах зависят от свойств металла M, вида напряженного состояния Н, воздействия среды С (рис 1.1.):

М + Н + С = К.

В зависимости  от степени влияния каждого фактора  системы М-Н-С,  возможны различные  виды разрушения конструкций  (рис. 1.2): от механического разрушения, при  котором роль среды незначительна, до сплошной коррозии, при которой  роль напряжений незначительна. При                   K → 0 разрушения не происходит.

Свойства металла М, определяющие сопротивляемость деформации и коррозии, зависит от исходных свойств металла Ми перед изготовлением конструкций, изменения свойств под влиянием технологической обработки       ∆Мт в процессе изготовления конструкций (механическое деформирование, сварка, термическая обработка и т.д.), изменения свойств при эксплуатации       ∆Мэ, т.е.

Рис. 1.1. Векторная схема влияния основных факторов на коррозию под напряжением

 

 

           Первый фактор определяет исходную сопротивляемость металла воздействию среды и нагрузки в данных условиях, второй и третий факторы – степень изменения этой сопротивляемости. Технологические операции, выполняемые в процессе изготовления конструкции (например, сварка), могут значительно снизить начальную термодинамическую устойчивость металла. Это связано с дополнительной гетерогенностью, обусловленной появлением макро- и микрохимической  и структурной неоднородности; неоднородности упругопластического состояния; геометрической, физической неоднородности и пр.

Другие технологические  операции, например специальная термообработка, нанесение покрытий, могут существенно  повысит стойкость материала.

Свойства материала  могут значительно изменятся  под действием среды при эксплуатации, особенно в водородосодержащих и водородовыделяющих средах.

Напряженное состояние материала конструкции Н определяется расчетными напряжениями Нр (механическими, температурными), их отклонениями при эксплуатации        ∆Нэ и остаточными напряжениями        ∆Нт (сборочно-монтажными, деформационными, сварочными и др.):

Напряженное состояние, определяемое напряжениями (σ, τ), потенциальной энергией (W), их концентрацией в макро- и микрообъемах изделия, далее будем называть соответственно напряжениями I и II рода (σI, τI; σII, τII; WI, WII).

Коррозия под напряжением  несущих конструкций проходит, как  правило, в условиях сложного напряженного состояния. Например, в сварных штуцерных  соединения оболочковых конструкций (сосуды, аппараты, трубопроводы), работающие под давлением в условиях теплосмен, жесткое двухосное поле напряжений, обусловленных рабочей нагрузкой, суммируется с температурными напряжениями и жестким двухосным полем остаточных сварных напряжений. Влияние фактора  Нс неоднозначно: например, остаточные напряжения растяжения могут резко снизить несущую способность конструкции, напряжения сжатия – повысить.

Влияние эксплуатационной среды C  определяется ее исходными свойствами (химическим составом, концентрацией, рН и др.) – Си, технологическими условиями взаимодействия среды с элементами конструкций - ∆Ст, отклонениями состава сред, технологический условий, условий защиты при эксплуатации - ∆Сэ ( фактор учитывающий температуру, давление, скорость относительного перемещения среды, условий контактирования с конструкцией, сопутствующие процессы):

Самый распространенный и  практически значимый вид воздействия агрессивных сред – коррозионное воздействие, которое чаще всего является комплексным, протекающим в определенных температурно-временных условиях в сочетании с сорбционными, эрозионными, кавитационными явлениями и ионизирующего излучения.

Таким образом, склонность металлоконструкций к коррозии под напряжением и  сопротивляемость ей определяется  комплексом факторов в системе М – Н – С, причем свойства материала и напряженное состояние характеризует внутренние факторы, а условия воздействия среды и эксплуатационные нагрузки – внешние факторы.

Таким образом, сопротивляемость конструкций разрушения в условиях коррозии под напряжением определяется общей структурной формулой

 

Механизмы коррозии под напряжением.

В зависимости  от степени влияния факторов (см. рис. 1.2.) системы М-Н-С при коррозии под напряжением возможны: сплошная коррозия, интенсифицированная действием напряжений; ускоренная местная коррозия; растрескивание под действием статических (коррозионное растрескивание) и циклических (коррозионная усталость) напряжений.

Изложу общие представления  о механизмах коррозионного разрушения под напряжением с образованием трещин магистрального типа. Существует множество гипотез, согласно им, природа этого разрушения может быть электрохимической, механоэлектрохимической, пленочной, адсорбационно-электрохимической, сорбционной и др.

Различие гипотез заключается прежде всего в оценке влияния напряжений и среды на процесс разрушения и причин, вызывающих склонность металла к растрескиванию.

Коррозионное разрушение металла в напряженном состоянии  с трещинообразованием состоит (рис. 1.3.) из периода τз зарождения трещины (инкубационного), в течении которого на металлической поверхности под влиянием локализации коррозионного процесса и напряжений растяжения зарождаются первичные трещины, и периода τр  роста трещины, который, в свою очередь, определяется временем докритического (субкритического)  роста трещины до ее критических размеров, после чего происходит спонтанное лавинообразное механическое разрушение  τм. Таким образом, время до разрушения

 

Напряженное состояние способствует коррозионному  процессу в металлах вследствие:

- Сообщения металлу добавочной энергии, что вызывает понижение его термодинамической устойчивости, так как иону Ме⁺ деформированного металла легче покинуть решетку по сравнению с ионами недеформированного металла ввиду более низкой работы выхода. При этом под действием механических напряжений   в кристаллической решетке металла  равновесный электродный потенциал становится более отрицательным (механохимический эффект), что также ускоряет коррозию;

- Нарушения под действием деформации сплошности и ухудшения защитных свойств поверхностных пленок. В пленке, образующей  на деформированном или находящемся в напряженном состоянии металле, в начальный момент действия электролита больше трещин, причем большего размера, чем на недеформированном металле;

-Повышения  степени неоднородности, связанной  с появлением под  действием   деформации дефектов кристаллической  решетки и новых анодных фаз.

При появлении  пластических деформаций в кристалле возникают дефекты структуры типа дислокаций, вокруг которых кристаллическая решетка подвергается сильным упругим искажениям, в связи с чем усиливается механохимический эффект (МХЭ).

В трещинах –  характерных концентраторах напряжений – электродный потенциал становится более отрицательным, скорость анодного растворения металла в вершине концентратора под действием напряжений увеличивается. В макроскопическом масштабе при коррозионном растрескивании участки пластически деформируемого (вершины трещин) и недеформируемого металла (остальные поверхности) образуют коррозионные элементы типа гальванопар, подвергающиеся щелевой коррозии, со сложным распределением токов и потенциалов.

В целом опасное  влияние напряженного состояния  на коррозию заключается не столько  в увеличении сплошной коррозии, сколько в изменении ее характера, т.е. в превращении ее из равномерной в местную. Незначительно влияя на сплошную коррозию, напряжения интесифицируют местную коррозию. С учетом комплексности агрессивных  сред механизм коррозионного разрушения под напряжением определяется совместными и сопряженными коррозионными, механическими и сорбционными процессами, а также другими сопутствующими процессами (эрозией, кавитацией, радиацией и др.). В зависимости от конкретных условий определяющим может быть один из трех процессов ( последовательности записи условно обозначает значимость их влияния), и соответственно механизм разрушения будет различный:

- коррозионно-механо-сорбционным  (к-м-с);

- механо-коррозионно-  сорбционным (м-к-с);

- коррозионно-сорбционно-механическим (к-с-м);

- механо-сорбционно-коррозионным (м-с-к);

- сорбционн-механо-корозионным  (с-м-к);

-сорбционно-коррозионно-механическим (с-к-м).

Влияние каждого  процесса на разных стадиях растрескивания не остается постоянным.

Значимость каждого процесса можно условно показать с помощью треугольника Гиббса (рис. 1.4.). Наибольшее практическое значение имеют три основных механизма: к-м-с (точка 1), м-к-с (точка 2), с-м-к (точка 3). Характерные случаи рассмотри далее.

Склонность  металла к разрушению при коррозии под напряжением связана с наличием анодных участков и коррозионно-активных путей.  Эти участки и пути можно разделить на начальные, имеющиеся в металле, и возникающие под  действием напряжений (рис. 1.5).

Анодные участки могут образоваться при микроструктурной и химической неоднородности сплавов. К ним относятся границы зерен, включения, дефекты решетки и структуры (дислокации, их скопления, микро участки, обогащенные растворенными атомами, на дефектах кристалла), местное разрушение пленки, начальные микротрещины.

Коррозионно-активные пути – это движущиеся дефекты  решетки (деформируемый металл) и  микросегрегации атомов растворенного  компонента на движущихся дефектах решетки  у острия трещины, новые коррозионно-нестойкие  фазы, зарождающиеся при деформации у острия трещины, участки под разрывами пленки, образующиеся при деформировании металла.

Возникновение анодных участков может быть связано  также с неоднородностью жидкой фазы и физических условий на поверхности металла, в устье и у стенок трещины: различием концентрации ионов металла, солей, кислорода и других окислителей, а также различием рН, температуры, свойств электрического и магнитного полей, энергии излучения, скорости электролита и др.

 

Наводороживание металла в процессе коррозии.

Разрушения, связанные с наводораживанием металла  в процессе коррозии, характерны для конструкционных сталей, особенно сталей сталей повышенной прочности, и конструкционных материалов, образующих устойчивые гидриды.

При коррозии водород  может находится у поверхности металла в ионном, атомарном или молекулярном состоянии. В кислых средах на поверхность металла водород поступает в ионизированном  состоянии, где протекает окислительно-восстановительная реакция между ионом водорода и металлом поверхности:  2Н⁺ + Ме⁺² → Ме + 2Надс. В щелочных средах коррозия металлов с выделением водорода идет вследствие выделения водорода из молекулы воды:  Н₂О + е → Надс + ОН⁻. В нейтральных средах возможны оба процесса.

Образовавшийся  в процессе коррозионной реакции водород частично абсорбируется, хемосорбируется и диффундирует в глубь металла:  Надс → Ндиф ; частично молизуется с образованием и отрывом пузырьков водорода от поверхности:  Н₂ + Н₂ + … + Н₂ → nН₂.