Коррозионное растрескивание оборудования

Коррозионное растрескивание является наиболее опасным видом коррозии. Оно связано с появление трещин в металле, которые распространяются, как правило, с поверхности. Опасность этого вида разрушения обусловлена тем, что на начальной стадии роста трещины, когда еще можно принять превентивные меры, например вырезать пораженный участок металлоконструкции, зафиксировать поражение металла очень трудно. Это связано с тем, что на поверхности отсутствуют продукты коррозии, существенного изменения свойств металла также не наблюдается. Достигнув критических размеров, трещина растет лавинно, что неизбежно приводит к отказу оборудования.

Коррозионное растрескивание относится к так называемым коррозионно-механическим разрушениям, т.к. для его реализации мало только контакта металла с коррозионной средой, — необходимо еще действие растягивающих напряжений. Причем, если уровень этих напряжений не превышает расчетный (допустимый), разрушение не происходит. Расчетный уровень напряжений всегда значительно меньше предела текучести материала. Если металл конструкции не имеет на поверхности или в объеме дефектов, конструкция, в которой уровень напряжений не превышает допустимый, успешно эксплуатируется в течение всего срока службы даже при наличии контакта с агрессивной средой. При появлении на поверхности металла дефекта, — например коррозионной язвы, питтинга, межкристаллитного поражения или просто механического повреждения, — ситуация меняется принципиально. В вершине дефекта создается концентрация напряжений, уровень которых может превысить допустимый для данной металлоконструкции. Peальное напряжение в вершине концентратора вычисляется по формуле

где ок — напряжение в вершине дефекта;

n — напряжение в бездефектном металле;

К — коэффициент интенсивности напряжений.

Коэффициент интенсивности напряжений тем выше, чем острее и длиннее дефект:

где l — длина дефекта;

r — радиус закругления в вершине дефекта.

Такая концентрация напряжений в вершине дефекта даже при невысоких средних рабочих напряжениях вызывает развитие локальной пластической деформации. Исчерпание возможностей этой деформации приводит к разрушению. Развитие локальной пластической деформации в основании движущейся трещины следует рассматривать как первую стадию разрушения. Деформация, поглощая энергию, ограничивает скорость движения трещины и может даже привести к ее торможению. Если же трещине удается достигнуть некоторых критических, характерных для данных условий, размеров, наступает вторая стадия разрушения. Это — лавинный, неуправляемый рост трещины. Он протекает практически без пластической деформации и приводит в конечном итоге к разрушению металлоконструкции.

Таким образом, главным фактором, определяющим стойкость металла к развитию трещины, является величина пластической деформации в вершине трещины и соответственно работа, затрачиваемая на эту деформацию. В мягкой и вязкой стали, например такой, как I2XI8H10T, зона деформации существенная, поэтому чувствительность к действию концентратора относительно невелика. Наводороживание снижает способность стали к пластической деформации, а следовательно, и сопротивление разрушению в основании концентратора. Склонность к упрочнению при деформации также снижает размеры деформируемой зоны.

При развитии коррозионной трещины определяющими являются те же факторы, связанные с развитием деформации в основании концентратора. Характер взаимодействия металла с коррозионной средой оказывает весьма существенное влияние на этот процесс.

Как правило, развитие коррозионной трещины связывают с тремя сопряженными явлениями: анодным растворением, водородным охрупчиванием и адсорбционным снижением прочности.

На стадии анодного растворения на поверхности металла в связи с локализацией анодного процесса появляется концентратор напряжений. При питтинговой коррозии — это питтинг на пассивной поверхности металла, при межкристаллитной — локально пораженные границы зерен, при язвенной — сама язва. В случае, если острая локализация анодной реакции в вершине растворенного участка уменьшает радиус концентратора, зона пластической деформации уменьшается и повышается вероятность бездеформационного лавинного разрушения. Если же характер коррозионного процесса таков, что коррозионная среда увеличивает радиус концентратора, то следует ожидать медленного развития трещины с существенной пластической деформацией.

Стадия адсорбционного снижения прочности связана с тем, что при адсорбции ионов раствора поверхностью металла наблюдается некоторое ослабление межатомных связей в металле. Это, вероятно, должно привести и к снижению работы развития трещины.

Наконец, стадия наводороживания приводит к существенному снижению возможности пластической деформации металла и таким образом способствует лавинному развитию трещины.

При развитии хлороводородного коррозионного растрескивания (XKP) превалирующей является стадия анодного растворения. От XKP страдают стали, подверженные питтинговой коррозии, то есть в основном вязкие стали аустенитного и аустенито-перлитного класса. Соответственно трещины при XKP развиваются медленно, в течение нескольких месяцев или даже лет. Развитие трещины связано с растущим глубоким острым питтингом. Механическое поражение поверхности (задир, риска) не представляют опасности, т.к. для развития разрушения в вязкой стали необходим глубокий остроконечный дефект. Металл при XKP практически не меняет своих механических свойств. То же касается и развития межкристаллитного коррозионного растрескивания, развивающегося на базе МКК.

При развитии сероводородного коррозионного растрескивания (CKP) основной стадией является наводороживание, сопровождающееся сильным снижением пластичности стали. Водород выделяется вследствие электродной реакции, протекающей на поверхности металла, которую в общем виде можно выразить уравнением

Выделяющийся атомарный водород частично молизуется и уходит из зоны реакции, а частично проникает в металл, снижая его пластичность. При таком характере взаимодействия металла со средой любой дефект, даже небольшое механическое повреждение, представляет опасность: деформации металла практически не наблюдается, и трещина развивается лавинно даже при незначительной концентрации напряжений. Соответственно инкубационный период CKP может быть совсем небольшим, иногда несколько часов. Долом металла носит хрупкий характер. В случаях, когда сталь не испытывает существенных внешних растягивающих напряжений в присутствии сероводорода, она часто подвергается другому, менее опасному, чем СКР, виду поражения — ступенчатому водородному растрескиванию. Концентратором напряжений в этом случае служит внутренний дефект, и трещина развивается за счет реализации внутренних микронапряжений. Развиваются такие трещины также в хрупком металле, в параллельных плоскостях, затем, объединившись в ступеньки, они могут привести к разрушению всей металлоконструкции.

Для мягких низкопрочных сталей с высокой пластичностью более характерен блистеринг — появление в стали пузырей, заполненных водородом. Атомарный водород, проникая в сталь, диффундирует сквозь решетку и скапливается во внутренних дефектах. Здесь он молизуется и дальше диффундировать не может: геометрические размеры молекул водорода существенно превышают параметры кристаллической решетки металла. Скопившийся в микропустотах металла молекулярный водород развивает в них большое давление. Границу самого дефекта, в котором скапливается водород, следует рассматривать как концентратор напряжений. Трещина, растущая от нее, в мягкой низкопрочной стали продвигается очень медленно, со значительной пластической деформацией металла. В результате ее роста образуется заполненная водородом полость. Это и есть блистеринг. Рано или поздно его рост приводит к потере металлоконструкцией ее несущей способности.

При развитии щелочного коррозионного растрескивания — ЩКР, концентратором напряжений, как правило, служит питтинг или, чаще, участки анодного растворения пассивной пленки по границам зерен. Пассивации вершины трещины не происходит, т.к. затруднен доступ к ней кислорода. При высокой температуре и концентрации щелочи на наименее равновесных участках поверхности металла, границах зерен, наблюдается растворение защитной пленки и разрушение металла. В основе разрушения лежат следующие процессы:

Выделяющийся в результате катодного процесса атомарный водород, так же, как и в случае СКР, частично молизуется, а частично проникает в металл. Однако доля водорода, проникающего в металл, существенно меньше в этом случае: отсутствуют стимуляторы наводороживания, каковыми при CKP являются сами сульфиды железа. Абсорбированный металлом водород диффундирует в основном в зону трехосных растягивающих напряжений у вершины трещины, охрупчивая ее. Остальной металл не подвергается существенному снижению пластичности. Поэтому при развитии ЩКР углеродистых и низколегированных сталей инкубационный период разрушения продолжительнее, чем при СКР, но значительно меньше, чем при XKP аустенитных сталей. Зона пред-разрушения хрупкая, а зона долома своих механических свойств практически не меняет.