Введение к работе
Актуальность работы. Основной объем перевозок пассажиров и народнохозяйственных грузов осущэствляется в наши стране железнодорожным транспортом. От ритмичной работы транспорта зави-:ит эффективность работы практически всех отраслей народного хозяйства В последние годы происходит интенсификация работы железных дорог, сокращается расход материальных, энергетических и трудовых ресурсов в расчете на единицу перевозочной работы, увеличились осевые нагрузки, грузоподъемность вагонов, масса поездов, мощности локомотивов. Это привело к росту механических напряжений в элементах подвюшого состава, верхнего строения пути, искусственных сооружений. В этих условиях большую актуальность приобрело решение технических проблем, связанных с эбеспечением безопасности движения, повышением надежности и долговечности Еэлезнодорожной техники, в частности с изысканием способов сюеэния отрицательного влияния рабочих сред на транспортній мзталл, повышением ресурса до возникновения коррозионных и коррозиоЕно-усталостных повреждений.
На транспортный металл воздействуют разнообразные твердые, падкие и газообразны? верства, которые в контакте с атмосфэр-еой влагой образует элегаролиты с различными окислительно-зосс-ганозительяыми свойствами, активностью и ккслотностьп
Традиционно используемые в подвижном состаге и метзллоконс-грукциях малоуглеродистые и низколегированные стали в ряде :лучаез, несмотря на дополнительную антикоррозионную задиту, не і5огут обеспечить нормативный срок слузкбы без трудоемких и дорогостоящ капитальных ремонтов, обусловленных коррозией металла
ійтадлический фонд железнодорожного транспорта составляет зколо 150 млн. т. Ежегодно обновляется порядка 57. фонда, или 7 или. т. стали, в виде новых рельсов, вагонов, лскомотизов, мостов и других металлоконструкций. Около 500 тыс. т. стали расходуется на ремонт железнодорожной техники. В связи с резким увеличением стоимости металла и всех видов железнодорожной техники
повышенна ресурса, создание безремонтных по коррозии конструкций приобрело важное значение для экономики иэлгзнодорояного транспорта.
Цель работы. Для предотвращения коррозионных и коррозион-но-усталостных повреждений железнодорожной техники используются практически все методы противокоррозионной защиты:
-используются стали и сплавы повышенной коррозионной стойкости;
-наносятся защитные покрытия (металлические, лакокрасочные, гидроизоляционные);
-ведется обработка технологических сред (обескислороживание, понижение содернания примесей в воде охлаждающих и отопительных систем, вводятся ингибиторы );
-осуществляется ограничение блуждающих токов и электрохимическая завдта;
-рациональное конструирование июет цельи устранить зоны застоя влаги и сыпучих грузов, ликвидировать щели и зазоры, ввести рациональные запасы на коррозию, заменить гигроскопичнкэ материалы, находящиеся в контакте с металлом, на нэгнгроекопнч-ныэ, герметизировать замкнутые-элементы.
Однако в ряде случаев принимаемые иэры ке дает келаеюго результата, поскольку не предотвращают коррозионныэ повреждения и коррозионно-усталостные разрушения конструкций и их элементов, что затрудняет работу транспорта, отвлекает значительные материальные и трудовые ресурсы на поддержание железнодорожной техники в исправной состоянии.
Автором сформулированы следующие задачи исследования:
1. Разработать методический подход к анализу качества противокоррозионной зашиты железнодорожной техники, провести обследование состояния основных видов железнодорожной техники после длительной эксплуатации и выявить объекты, коррозионные повреядения которых наносят наибольший ущерб железнодорожному
- 5" -транспорту.
-
Выполнить анализ причин и механизма образования коррозионных и коррозионнэ-усталостных повреждений выявленных объектов с учетом особенностей рабочих и технологических сред, аоздейс-твугшх на объекты в течение нормативного срока слулбы.
-
Разработать критерій и методы определения стойкости транспортного металла, позволяющие прогнозировать скорость образования коррозионных и коррозионно-усталостных повреждений на основе стендовых, лабораторных и натурных ускоренных испытаний.
-
Оптимизировать химический состав низколегированных сталей, предназначенных для изготовления железнодорожной техники, по показателю их коррозионной стойкости в рабочих средах и атмосфере.
-
Определить устойчивость пассивного состояния высоколегированных нержавеющих сталей в ряде рабочих и технологических сред. Оценить эффективность их применения в конструкциях железнодорожного подвижного состава
-
Изучить причины появления коррозиошю-усгалойтных разру-г?нкй и разработать мероприятия и технологические приемы, поз-воляющие увеличить ресурс элементов подвижного состааа и верхнего строения пути.
Научная новизна.
-
Разработана система оценки состояния по коррозии различных видов железнодорожной техники с учетом характера отказов, обусловленных коррозией и коррозионной усталостью. Вязленн наиболее слабо зациценкыэ от'коррозии виды келезнодороянсй техники, дана статистическая оценка скорости коррозии отдельных элементов подвижного состаза, верхнего строения пути, искусственных сооружений.
-
Разработаны методы и методики исследования коррозионной и корроаконко-усталостной стойкости материалов и элементов
- б -
конструкций в рабочих средах. На основе теории бифуркаций, теории катастроф и синергетики предложены методы определения критических состояний различных марок стали в окислительно-восстановительных средах, позволяющие оценить влияние химического состава и структуры стали на устойчивость пассивного состояния.
-
Разработаны на основе длительных атмосферных коррозионных испытаний более 130 опытных и промьыдекных плавок низколегированных сталей статистические модели, связывающие коррозионную стойкость в городской и промышленной атмосферах с химический составом стали. По результатам испытания выполнена оптимизация содержания элементов з стали по параметру стойкости к атмосферной коррозии при заданном уровне прочности, хладостойкости и свариваемости стали.
-
Определены границы устойчивости пассивного состояния хро-мэникелевчх, хромомзрганцевых, хромоникельшлибденовых сталей =.ус?енитного класса, легированных медью и кремнием, а также не-:-:оторых марок стали ферритного и феррито-мартенсктного классов н средах, воздействующее на металл кузовов пассажирских вагонов, вагонов для перевозки минеральных удобрений, котлов кислотных цистерн. Результаты исследования пгслужили оснозой -для ііь-бора конструкционных материалов, обеспечивающих повышений ре-"Л>с и безремонтную по коррозии эксплуатацию в течение нормативного срока службы.
-
На основе анализа эксплуатационных и технологических факторов, определяющих коррозионно-усталостную долговечность рельсе в, разработан комплекс мероприятий по предотвращению появления дефекта 69. Разработана и внедрена технология изготовления ру-башэк цилиндров тепловозного дизеля, обеспечивающая повышение юоррознокко-усталостной долговечности в результате создания сжі/аицих остаточных напряжений в зоне образования усталостных трес;ін, вблизи адаптерных отверстий.
Практическая ценность и внедрение.
-
Разработаны Методические указания по оценке технического :остояния и учету потерь ог коррозии металла в вагонном хозяйстве (РТЫ 1-кор-83), Инструкция по учету потерь от коррозии мэ-галлов и затрат на протвокоррозионнуа завіту на предприятиях ?злезнодоро*кого транспорта, LL 1983г., Пэлоиение об антикоррозионной слухбе МШ (ЦТех-4167,М, 1986г.), Руководство по определении технического состояния и первичному учету потерь от коррозии металлоконструкций и подлинного состава метрополитена, И, 1988г.
-
Разработана к экспериментально опробирована комплексная система штодов коррозионных и ксррозионно-усталостных испытаний сталей, деталей и элементов конструкций применительно к реальный условиям эксплуатации и воздействии рабочих сред. Отдельные методы .испытания разработаны и внедрены в качестве государственных и международных стандартов ( ГОСТ 9.909-86 -(йтоды испытаний на климатических испытательных станциях, ИСО 7441-1984(Е) - Коррозия металлов и сплавов. Определение биметаллической коррозии при испытании в открытой атмосфере ). Разработан метод коррозионно-усталостных испытаний цилиндрических деталей двигателей внутреннего сгорания (ас. N 1101708).
-
На основе статистических моделей влияния химического состава на корозионнуп стойкость низколегированных сталей в протащенной и городсгай атмосферах выполнена оптимизация химического состава. Разработаны новые марки атмосферостойких сталей:
для изготовления тонкого листа и ...елкосортного проката сталь І5ХДП (заявка N 4428860/23-2(079785), которая по ТУ 14-1-4340-88 и ТУ 14-1-2654-83 иэготавляется на Карагандинском м. гкомби-нате. Листовой прокат чспользуется на ремонтных заводах МПС для изготовления крыш и обшивы грузовых вагонов при капитальном ремонте;
- г -
- для мостостроения в виде толстолистового проката ( толщиной 10 40 мы) сталь 14ХГВДЦ, которая изготавливается Ж'Азовсталь" по ТУ 14-1-4519-88.
Экспериментально подтвержена эффективность применения атыос-ферос тонких сталей в конструкции кузовов грузовых вагонов путем ;:s»spSntK фактической толщины элементов после 10-20 лет эксплуатации.
4. Разработаны рекомендации по применении нержавеющих сталей
аустенитного класса, хромоникелевых и хромомарганцевых в конс
трукции кузовов пассажирских вагонов. Определена устойчивость
пассивного состояния сталей 12Ж8Н10Т и 12Х13Г18Д при воздейс
твии рабочих сред и ?'ощих составов. Подобраны составы травиль
ных ласт для удаления цветов побежалости со сварных соединений
:'. декоративной отделки кузова Проведены исследования состояния
Кгр/овевдих сталей в конструкции кузовов пассажирских вагонов
гоелэ длительной эксплуатации. По результатам исследований
Тверской вагоностроительный завод в 1988 г. освоил серийное из
готовление пассажирских вагонов с кузовом комбинированной конс
трукции: пол и нижние пояса боковин из профилированного проката
из стали 12И8Н10Т.
Разработаны рекомендации по применению хромистых, хромонйке-лезых сталей, содержащих присадки молибдена и меди, для иэготов-j-'ніія кузовов вагонов-минераловозов и котлов кислотных цистерн (а. с.М 579338, 677855).
-
Исследованы причины увеличения за последние 5-7 лет количества изломов рельсов на участках бесстыкового пути в результате образования коррозионно-усталостных трещин в подошве. Показано, что основной причиной этого является повышение осевых нагрузок. Предложен комплекс мероприятий по увеличению ресурса до появления коррозионно-усталостных трещин в подошве рельсов.
-
Разработана и внедрена технология термоупрочнения рубашек цилиндров тепловозных дизелей типа Д100 (ас.N 1004478), позво-
лиеизя в 7 раз снизить повреждаемость их трещинами коррозионной усталости.
Апробация работы. Нзтериалы диссертационной работы докладывались ка Всесоюзной совещании "Достижения и передовые методы запиты от коррозии .тэлезкодорояных кокструкций"(1982г.), 2-й Международной симпозиуме по обработке климатических данных и прогкозорозанка атмосферной коррозии (1978г.), 3-м Есессвзном научно-техническом сешшарэ "Скраска по ркззчике-79" (1979г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Оборудование, аппаратура, приборы и методы исследования з противокоррозионной технике"(1982г.)1 1-м Конгрессе ВАКО? (1992г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 45 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из взеленім, 7 глаз, обеих вызолов, списка литературы. Страниц машкоппеного текста 337, таблиц 43, рксункоз 158, нгіадкозаний литературных источников 344.
-/0-
В первой главе дается анализ повреждений железнодорожной техники, обусловленных коррозией металла в результате воздействия рабочих и технологических сред. Отмечается, что безопасность движения на азлезподорахном тренспорте обеспечивается благодаря жестким требованиям к организации перевозочного процесса и надежности технических сре,;ств. Последняя достигается за счет соблюдения норм проектирования, эксплуатации и ремонта кэлезнодорозогой техники. Однако опыт эксплуатации свидетельствует о том, что, с едкой стороны, методы и нормы расчета не являются совершенными, с другой,- имеются случаи карусения корм эксплуатации и ремонта, и, как следствие, появление неисправностей и отказов, в том числе аварийного характера.
Обычно в расчетах ка прочность и долговечность использует детерминированные величины нормативных нагрузок, либо спектры рабочих напряжений и теоретические представления о накоплении повреждений. В реальных условиях эксплуатации не только рабочая нагрузка имеет стохастический характер, но и несущая способность металлоконструкций подвижного состава, верхнего строения пути, искусственных сооружений. В процессе эксплуатации несущая способность металлоконструкций снижается в результате усталости, коррозии, износа.
Аварийные отказы возникают в тех случаях, когда кривая распределения рабочих нагрузок пересекает кривую распределения несущей спссобности данного элемента или конструкции в целом (рис.1).
Еэролтностно-статистический подход, использованный автором для получения информации о скорости коррозии основных видов железнодорожной техники, в сочетании с методами оценки технического состояния по коррозии, позволил систематизировать данные о кинотике появления коррозионных и коррозионно-усталостных повреждений, неисправностей и отказов; выявить объекты, коррозия которых вызывает -зиболъшие потери материальных, энергетических и трудовых ресурсов, создает угрозу безопасности движения.
Установлено, что, несмотря на противокоррозионную защиту ла-
Рис. Ї. Кривые распределения спектра нагрузок 3(ф и несущей способности новых элементов конструкции Ф(Ш и после различного срока эксплуатации -.2'Ю, $'.Ю .
Ш в**, Ш я*** Ш &2Э«»
?ис. 2. Зоны образования сквознах коррозионных повреждений в кузове пассажирских вагонов пссле различного срока -эксплуатации.
- i2 -
кокрасочнкми покрытиями, основной причиной капитальных ремонтов пассажирских вагонов дальнего следования является коррозия кузовов, изготовленных из малоуглеродистой стали, приводящая к появлении сквозных коррозионных повреждений обшивы нижнего пояса боковин и пола в консольных частях кузова через 8-12 лет и в средней части кузова - через 16-20 лет эксплуатации (рис.2). Стоимость капитального ремонта вагоноз зависит от объема вскрытия кузова для устранения коррозионных повреждений и возобновления антикоррозионного покрытия, что составляет 20-50Х от стоимости нового вагона.
В конструкции кузовов полувагонов наибольшая скорость коррозии наблюдается в нижней части стойки двутавра хребтовой балки, что приводит к появления сквозных коррозионных повреждений и обрыву петель крепления крышек люков. Изменение фактической толщины стойки двутавра после различного срока эксплуатации приведено на рис.3. Основной причиной исключения из эксплуатации полувагонов и сокращения нормативного срока их службы являются коррозионные повреждения двутавра хребтовой балки и нижнего обвязочного уголка.
Наиболее повреждавши коррозией элементом кузова крытых .> грузовых вагонов является крыша. Через 12-14 лет эксплуатации крыши Солее половины вагонов имеют сквозные коррозионные повреждения. Долговечность крыш из малоуглеродистой стали, которые ^кли установлены при капитальном ремонте, составляет 6-8 лет. I течение нормативного срока службы крытых вагонов крыша 'заменяется практически 3 раза, что приводит к расходу большого количества дорогостоящей листовой стали.
Коррозионные повреждения кузова является причиной сокращения нормативного срока службы вагонов-минераловозов до 10 лег.
Котлы кислотных цистерн для перевозки улучшенной серной кислоты ( из двухслойной стали 09Г2С+06Л8НІЗМ2Т ) и кислотногс меланжа ( из стали 12Х18Г8Н2Т ) подвержены интенсивной коррозии в зоне облива котлов при наливе и сливе кислоты, а также в зоне разбавления кислоты в районе горловины и воздушного клапана.
-Y3-
і :j 4 а і is w tin IJ 111! IS 1711 I» ticnMcxtmit maitK юпері no }mnt titma
F::c. 3. Изменение толщины стойки дЕутавра хребтовой балки полувагснсв после эксплуатации'в течение: 4 CD, 5 (2), 7 (З), 8 (4), 10 (51, 16 (б), 20 (7)лег.
, тину), у г» «iyyutir
Рис. 4.
Ксррозионно-усталостная трещина в подошве рельса (дефект 69).
*л.»Щ
JHC.
5. Скачки и бифуркации потенциала стали ВСт.З в 1055-ном растворе бихромата калия при добавлении 20^-ного раствора серной кислоты.
- <ч -Атмосферная коррозия является основной прїг-зиой сежэняя несу.^, способности мэталлических пролетяыз строения мостоз, ригелей кэстклх поперечин контактной сети, з результате чего воз-
КІІКЗЄГ НеСбХОДИМОСТЬ ИХ КаПИТаЛЬНОГО ремонта ИЛИ ПОЛНОЙ ЗаМЭНН.
Коррсзпоннс-усталостные трещины в подошве рельсов возникав.; б Сессгыковом пути после прохода более -300-400 млн. ї. груза. Из-за сло;;июст!і обнаружения этих трещин средствами дефектоскопии сни приводят к изложу рельсов под поездами (рис. 4). Характерней особенностью изломов является то, что все трещины рззвиза-этся над шалой, я зоне контакта подопзы рельса с рэзшозыми или рззикокордоЕыми прокладками или карточками для Быпрлв:си путі:. 3 зонах мезду шпалами коррозиоико-усталсстные трещины не образуется.
Норрозиокко-усталосткыэ трещины является причиной появления течей з зоне адапгарк:.^с отверстий рубаю:-; цилиндров тепловозных дизелей типа ДіОО, что является причиной постановки тепловозов к:: внеплановый ремонт.
Таким образом, выявлены гиды яэлезиодоро;.аой техніки, их' ч з е менты и узлы, коррозия которых наносит наибольший ущерб зко-кемкке кэлезнодорохного транспорта. Предложено оценивать качество протиноісоррозиокой защиты кедезнодорояной техники по показателя приведенных затрат на единицу полезной работы.
Сформулирована задача исследования, которая состоит в том, чтобы путем примэнения новых материалов и технологий изготовле-i"i я элементов шлезнодорожюй техники, обеспечить более высокий уровень ее противокоррозионной защиты, повысить ресурс безремонтной эксплуатации, снизить затраты на единицу полезноі; работы.
jjo_ второй глазе диссертации приведен краткий обзор основных каучных направлений, позволяющих при помощи моделирования процессов коррозии с использованием ограниченных по времени и объему рэзультатоз экспериментальных исследований выйти на технические решения, способные повысить уровень противокоррозионной защиты хэлезнодоролошй техники.
- IS -
В настоящее время благодаря исследованиям Гпббса, Нернста, Арреннусз, ПурСе, Еоллцмзлз, Сарэдея, йтка, наялх соотечественников Акимова Г. В., Срумкина А. Е , Юолстыркпна Я. М. , Томатона И, Д., Рогекфольда 11 Л., Ведешшна С. Г., Михайловского Я. а сформировалось несколько подходов к рассмотрению механизма взаимодействия металла со средой, которые напли отражение з фнзи-ко::и).зічєєк!іх, термодинамических, электрохимических, отахнстн-".cc!u:x и математическою: моделях. ?> последние годы развивается подход к-анализу сложных систем, основанный на теории бифуркаций, теории катастроф и синергетика.
йїрнкохимкчєсю'.є моделі дают представление о взаимодействии .с-таліз со средой, га:-: о многостадийном процессе перехода ато-v.or, металла из кристаллической ракетки в раствор или химические соединения с гсомпонентаья среди, образования кктерм^дпатов, ноной, барьерных пленок на поверхности металла, ограничивающих доступ гамшзнэнтоз среды к поверхности металла.
Пленка продуктов ішррозии, сСразуюздхсн при атмосферной коррозии лелега і: низколегированных сталей, состоит р. основном .из cL~ '^FeCOH с примесью FeSCLa промышленной атмосфере. В приморской атмосфере, кзсьпденной хлоридами, возможно присутствие гидратироианного FeCl^. Ка атмосфероетоЛгак сталях наблюдалось образование аморфных слога гидрсксндоз железа с попызеккнм со-держанием gccjcpa, меди, хрома, обладаниях хорошими задатками
На нксокохрсмнстых нерхо8*.!*.'<: сталях з обычной атмосфере
B02HHK3? ТРУДНОрЗСТЕООИМКе ПЛЄЯКИ СКСИД03 ХрОМа ТОЛЕЗ'.НОЙ 10-15
А, етторые резко замедляет взаимодействие металла со средой, смещает потенциал стали з положительную область. Катодное легирование рзспз:рнет область устойчивости пассивного состоянии, однако структурные неоднородности в виде неметаллических включений, выделений карбидоз хрома по границам зерен молу? привести к нарушению сплсеностк защитной пленки, способствовать появлении питтингоз и межристаллитнои коррозии.
Терюдкнамичесяэ модели рассмотрены в исследованиях Пурбе,
Латимера, Гиббса, де Донде, Еригожша. Классическая термодинамика рассматривает равновесные состояния систеы, при которых производство энтропии, потоки к силы равны нули. В условідх, приближающихся к равновесным, самопроизвольно идут процессы, в результате которых снимается термодинамический потенциал системы (энергия Гиббса). На классической терюдннамике основаны диаграммы Цурбе. Слабо неравновесная или линейная термодинамика основана на соотношении Онзагера и принципе минимума производства энтропии Пригожина, согласно которому система переходит в состояние наименьшей диссипации, стрехась достичь - состояния равновесия, если это позволяют граничные условия. Открытая система, находящаяся вдали от равновесия, эволюционирует к некоторому стационарному, но неравновесному состоянии, при котором поток энергии или вещества из окружающей среды компенсируется производством энтропии необратимых процессов внутри системы. Химические и электрохимические системы полностью соответствуют эти:.! термодинамическим моделям, однако по термодинамическим потенциалам равновесных систем невозможно предсказать поведение открытых систем.
Электрохимические модели корразии металлов в растворах электролитов представлены в исследованиях Срумкина, Ньюмена, Тафеля, Бэрнста, Колотыркина, Стерна, Гирк, Мансфельда. Основанные на этих моделях электрохимические методы позволяют получить полезные для практики результаты, как з области изучения мехашгзма взаимодействия металла со средой, так и при разработке методов контроля старости коррозии металла в растворах электролитов. Цри химической коррозии, коррозии в условиях переменного увлажнения и исследовании многокомпонентных систеы эти методы мало эффективны.
Статистические модели позволяет получеть ценную информацию в условиях неполного знания механизма взаимодействия, что характерно для многокомпонентша систем. Статистические модели полу-чаэт путем регрессионного анализа связи мэзду параметром оптимизации и факторами, которые могут изменяться случайно (пассиз-
кьй зкспоріолзн?), дибо задаваться с помо.щьп матрицы планирования (активный эксперимент). В исследованиях атмосферной коррозии статистические подели, основанные на пассизноы эксперименте, получены авторами, ачатаэкроЕавпзо-я влияние атыссфзрно-кли-матичэскнх факторов на коррозию мэтаыов. В последний годы появились исследования влияния химического состава низколегированных сталей на их стойкость к атмосферной коррозии с использованием методов агатного зкспертапта. Автор настоящей диссертации одни?! из первых использовал факторный анализ для выявления легіфукіцих элементов и прзгмесой із низколегированных сталях, оісазьтзаягзп кзнболіпее влияниэ на их стойкость к атмосферной корсзии. Развития методов активного эксперимента пссвяцены исследования Ситара, Бекса, Налшяэва, Адлера, Еэдгинидзе.
ІЬдн^таці'С-.'і статистических моделей являются полуэмпиричес-кпэ модели, в которых заранее задается кинетическое уравнение, а статистическая методам находят эмпирические коэффициенты в отих уравнениях. Такие модели применительно к атмосферной коррозии теорэттеески обоснованы и использованы з работах Михайловского, Стрекагшва, японски исследователей.
Мате!.Етп':;скне модели взаимодействия металла со средой предложены в работах Еэлотыркика, С/хотина, Хейфецз, Демидовой и др. Процессы на границе металл - среда опнсизаэгся системой дифференциальных уравнений, учиткзащж кинетику электрохимических и ГіС5г-:есіак реакция на поверхности штата, образование защитной пленки, дкф±узка компонентов среды я металла через пленку, зпзягсескиэ реакція: з пленке продуктов коррозии. Голуче-ны регекил систем дифференциальных уравнений для двухкомшнент-ных сред и однокомпонентного метаплз. Однако для Солее сложных систем ресзнпе нелинейных дифференциальных уравнений требует знаній коэффициентов диффузии компонентов а пленка продуктов коррозии.
СикергетическзЗ подход к исследовании сложных многокомпонентных систем открытого тіша сязгизся в последние годы благодаря исследованиям Пригожіша, Задана, Ен-юлиса, Эбелинга, Бело-
-и -
усова, Бэботинского, Кшзнтозича, Арнольда, Стізя. Синергетика (теория бифуркаций и теорій катастроф) устанавливает обзке пршпзты, управляющие возникновением самоорганизующихся структур и функций. Наблздения за системой при целенаправленном изменении воздействующих на нее внешних фзкторз позволяет изучить условия, при которых происходит потеря устойчивости к переход к качественно новому состоянии; выявить управляющею параметры системы; представить процессы самоорганизации как последовательность фазовых переходов; вывести и решить дифференциальные уравнения для управляющих: параметров.
Коррозионная усталость есть результат адсорбционных, диффу-г-:г:кньв:, химических и электрохимических процессов, накладызаю-ч-лся на процесс накопления повреждений в металле при воздеис-г.'-;ня циклических механических напряжений. Накопление поврехде-г.уЛ и разрушение металлов при усталости з обычной среде сухого не з духа исследовано в работах Еелера, Баужщгера, Гудмана, Еко-Сори, Дзвиденкоза, Щапова, Серексепа, Одішга, Ивановой, Еотт-релла, Афанасьева, Волкова, Школьника, Кофина, Шнсона, Париса, Эрдогана, Дукетти и других исследователей. Результаты представлены в виде статистические, дислокационных, физических, энергетических поделай. В последние годы появились исследования, рассматривающие усталостное разрушение с позиций синергетики.
Больной вклад в развитие представлений о коррозионной усталости внесли Карпенко, Еей, Дукетти, Еасиленко, Раманиа/ Шх~ мурский, Гликман, Олейник. Влияние среды на рост усталостных тредин рассмотрено с позиций механики разрушения; предложены различные модели накопления повреждений, отражающие взаимодействие и конкуренцию процессов чистой механической усталости и коррозионного растрескивания, диффузии водорода в вершину тресты, анодное растворение в вершине трещины, блокирование устья трэщжы продуктами коррозии и др.
Таким образом, анализ научных подходов и моделей взаимодействия на границе металл - среда позволил сделать заключение о том, что дл: решения практических инженерных задач, направлен-
- 19 -них на noEiTEHKs коррозионной стойкости транспортного металла, целесообразно использовать:
- статистические методы и физккохимичеекие модели при анализе причин и механизма коррозионных повреждений кэлезкодороккой техники;
электрохимические модели и сішергєтичєскип подход при изучении скорости коррозии в растворах электролитов и оценке устойчивости пассивного состояния сталей;
статистические модели, факторный аналіз, планирование эксперимента для оценки влияния легирующих элементов н примесей на коррозионную стойкость сталей и для оптимизации их состава.
Б главе 3 дано описание использованных в работа традиционных и разработанных авторе!,! методов коррозионных, электрохимически и коррозионно-усталостных испытаний. Особенность методики атмосферных коррозионных испытаний, выполненных автором, состоит в том, что одновременно испытывали партии из 10-30 и более плавок стали различного химического состава. Испытания на стойкость к атмосферной- коррозии проводили нз двух атмосфер-нс-коррозконных станциях: в городской атмосфере (Москва-3) и з промышленной атмосфере (ст. Дебальцево Донецкой гк.д. ) Длительность испытания 4-6 лет, в течение которых осуществляли 4 съема образцов. В начале испытания сїємьг образцов производили каждый год, а в конце - через 1-3 года. Образцы после испытаний очищали от продуктоз коррозгаї в стандартных электролитах и определяли ПОТерЮ МЕССЫ 3 результате КОррОЗИИ. КОРРОЗИОННУЮ fTu.lKOCTb
каждой плавки определяли по потере массы трех одинаковы:', образцов. Для обработки результатов испытаний использовали кинетическое уравнение атмосферной коррозии степенного вида: !i = Atft т/iu
где А к Е - эмпирические коэффициенты.
Расчет коэффициентов А и В осущэствляш го результатам 3-4 сгеыоа методом наименьшее кзадратов. Поскольку химический состав опытных плавок в ряде случаев задавался матрицей планирова-
— 20 -
ния активного эксперимента, по результатам испытания всей партия рассчитывали коэффициенты множественной регрессии з уравнениях, связывавших величину коэффициентов А и В с химическим составом, стали. Расчеты проводили на ЭЕМ Ы-6000 и IBM PC/AT.
Ускоренные лабораторные коррозионные испытания проводили при полной или переменной погружении в растворы перевозимых грузов и искусственные среды; в условиях повышенной влакнсстк К ТЄМПЄ-Е^туры (гидростат Г-4); в контакте с увлажненными сыпучими грузами и удобрениями в открытой атмосфере; в водных вытяжках из теплоизоляционных материалов; з технологических среда:*: (моющіх составах, охлахдаюцэй воде, средства:-; профилактики смерзания сыпучих грузов и др.); з условиях коррозконно-механического износа.
Электрохимические исследования коррозионной стойкости сталей проводили известными методами путем построения анодных и катодных поляризационных кривых в есдных растворах перевоз іьегс грузов, водных зытяйкзх, искусственных и технологических средах. Поляризационные кривые получали с использование потЪнциостатов П-5348, П-5827М, ІШ-50-1. Ї. По поляризационным кривым в окислительно -восстановительных средах определяли потенциалы и то»; начала пассивации или активации стали, изучение тсков и потенциалов при образовании на поверхности стали продуктов атмосферной коррозии, токи коррозии. Для определения токов коррозии по поляризационным кривым использовали методы Ь&нсфэдьда, Банди, Стерна-Гири.
Содержание элементов в продуктах коррозии и на границе металла с рхавчиной определяли на установке "Камебзкс"(Сранция).
Для исследования устойчивости пассивного состояния низколегированных и нержавеющих сталей предложен метод испытаний, основанный на определении скачка потенциала при титровании бих-ромата калия серной кислотой. Отмечено появление нескольких скачков потенциала и бифуркаций из стационарного состояния к предельному циклу (бифуркаций Хэпфа) на малоуглеродистых и низколегированных сталях (рис.5).
Ксррсзиснко-усталсстные испытания проводили на гладких и '.адреэанных образцах, образцах с выращенными трещинами, а такта із натурньгх элементах кск:трукцнй. Цель испытаний заключалась в тределекга усталостной долговечности при постоянной амплитуде днклическнх наргузок, либо ограниченного предела выносливости із базе 2-10 млн. циклов. Испытания проводили на воздухе и в хнтакте с жидкими рабочими или искусственными средами. Елияние :реды с це низал: по изменению числа циклов до разрушения при задней максимальней нагрузке, изменению ограниченного предела :ын:слив:сти и скорости роста усталостных трепзш. Испытания доводили на пульсаторах ЦЦИ-200Пу, ПДМ-400Пу и на испытатель-:сй матине "Гидрспульс PSA-100" фирмы "Шэнк". Для коррозионно-тталостных испытаний натурных элементов конструкций ( рельсов і рубапек цилиндров тепловозного дизеля) разработаны специаль-!ьн устройства ( а. с. N 1101703).
Для коррозионно-усталостных испытаний рельсов разработано 'стройство, позволяющее подводить жидкую среду к подошве рельса ю врем- его усталостных испытаний пульсирующим изгт'зм, проискать постоянный или переменный ток через зону контакта пс-;о^зы рельса со средой.
Разработанные методы испытания кашля отражение в государс-венном и международном ИСО стандартах.
В глазе 4 приведены результаты исследований по определению юррогионноп агрессивности атмосферы, рабочих и технологических :ред по отношению к обычной малоуглеродисой стали. Отмечается, [то практически все стационарные конструкции и наружные г.оверх-:ссти подвижного состава подвержены воздействию атмосфернокли-атических факторов, при этом скорость коррозии металла зависит т длительности увлажнения поверхности фазовыми и адсорбцконны-31 пленками влаги, концентрации в атмосфере сернистого газа и лсридоз, температуры.
Исследована кинетика атмосферной коррозии малоуглеродистой тал;: з трех атмссферно-климатических зонах: на АКС 1Ьсква-3,
Дебальцево Донецкой и Сковородило Забайкальской х д. Экспериментально установлено, что нэлболызая потеря массы имеет шстс в промышленной атмосфере Дебальцево - 316 т/н\ а ІЬскзе -177г/и или з 1,8 раза меньше, а з Сковородню - 72,7 г/м'или з 4 раза меньше, чем в Дебальцево. Кинетика атмосферной коррозии малоуглеродистой стали ЕСт. 3 на указанных АКС (рис. 6) опиеыветея степенными полуэмпирическкми уравнениями:
Ыд = 316 t0,s57 т/и;
ММ = 177 \.aMSb г/м4;
lb = 72,7 tc's'7* г/м.1 Проверка точности прогнозирования потери масса в результате атмосферной коррозии при помоеи полученные уравнений показала, что расчетные значенім потери массы превышают фактические на 8-10S через 5-8 лет экспозиции. Последующи сравнительные испытания низколегированных сталей на стойкость к атмосферной коррозии проводили на дзух АКС: Иоскаа и Дебальцево.
Электрохимические исследования образцов с продуктами атмосферной коррозии позволили установить, что стационарный потенциал в растворе сульфатов смещается в область более положительная значений на 150-200 мВ. Изменение положения анодных и катодньа поляризационных кривых указывает на то, что наличие на поверхности стали продуктов коррозии приводи к тормозганизо анодного \ ускорению катодного процессов.
Рабочие среды, воздействующие на транспортные металлоконструкции и подвижной состав, весьма разнообразны. Наряду с атмосферными воздействиями, на кузова пассажирских вагоноз постоянно воздействует конденсат, увлажненные теплоизоляционна; материалы, моющие составы, попадающие внутрь кузова через неплотности окон. На кузоза грузовых вагонов воздействуют увлажненные сыпучие грузы: уголь, руда, песок, минеральные удобрения, минеральное сырье. В генах застоя влаги и сыпучих грузов, которые имеется ка раме полувагонов, это воздействие может быт: продолжительным. Ш котлы цистерн воздействует перевозимые жидкие грузы и их растворы, возникзхиие в результате конденсацю
-2V
?ис. 6. Зависимость потери кассы образцов из стали ССт.З от
длительности испытания кг атмосфернуо коррозию в усло-Еигзс АКС Дебальцево (JH, Москва (2), Сковородино (З"1.
Рис. 7.
,_ С ttli Р 5 (м \ №. № V К&Ь Я N П
Коэффициенты регрессии, Ркс.8. отрамадие влияние легиру-цих "ілємєнтов к примесей на потерю кассы через: I (а), 2(6), З'.в) и 4 года(г) в условиях лКС Москва < О ) и Дебаль'цево ( ШЭ )
Ъ
( с ил и» на р-
Пстерд массы стали типа 08ГБД:і) и 08ГІБД (21 с различным содержанием фосфера после 2270 суток испытания на АКС Дебальцево.
-2H -
влаги на стенках котлов.
Изучением коррозионной агрессивности рабочих сред по отношению к малоуглеродистой стали установлено, что наиболее агрессивными средами, воздействующими на кузова грузовых вагонов, являются минеральные удобрения. Скорость коррозии в увлажненных минеральных удобрениях составляет: в аммиачной селитре - 1296, в хлориде калитя - 760 и в суперфосфате - 530 г/мг-гед. Остальные виды минеральных удобрений и сыпучих грузов вызывает менее интенсивную коррозию малоуглеродистой стали.
Из жидких грузов наиболее агрессивными ярлявтся серная кис-л"/і \ и кислотный меланж, которые до недавнего времени перевозили в цистернах с котлами из малоуглеродистой стали. Скорость кор.:."зіии углеродистой стали при разбавлении концентрированней серной кислоты атмосферной влагой до концентрации 40-50% возрастает с 0,1 до 10-12 мм/год. Кислотный меланж (смесь 39% азотной и 7,5% серной кислоты) является окислительной средой и ыоьэт храниться в емкостях из обычной малоуглеродистой стали. Однако при транспортировке возможно не только разбавление меланжа конденсатом, но и изменение соотношения серной и азотной кислот в результате испарения . окислов азота со стенок котла вблизи горловины и воздушного клапана, что вызывает интенсивную коррозию и коррозионное растрескивание по сварным швам.
При перевозке пищевых продуктов (молоко, вино), также особо-чистых нефтепродуктов (авиационное топливо) не допускается загрязнение и:с ионами железа в результате коррозии котлов цистерн. Частично эта проблема решается заменой малоуглеродистой стали на нержавеющие стали и алюминиевые сплавы.
При сценке коррозионой агрессивности сред, воздействующих на железнодорожную технику, необходимо учитызать коррозионную агрессивность технологических сред, представляющих, cohort родные растворы и органические кїДііисти, которые используются в качестве теплоносителей, для мойки и дезинфекции подвижного состава, в качестве средств профилактики смерзания сыпучих грузов и др. Коррозионную агрессивность технологических сред, в отли-
чкэ от рабочих, гзэ.-гно дергать под контрюи, исключая из применения коррозкокпо агрессизнш среды или вводить з них ингибиторы коррозии. Так, для снвглния коррозионной агрессивности охлаядапцэй воды тепловозных дизелей ее готовят на конденсате и вводят противокоррозионные присадки бихромата калия, нитрита натрия, силиката натрия, тринатрий фосфата, контролирует пзэлеч-косгь.
Коррозионная агрессивность іиюцих средств, примэняешх для удаления загрязнений с наружной поверхности кузовов пассажирских вагонов, изіяняєтся в пирогам диапазоне, поскольку п их состав !эгуг входить кислоты или щелочи с добавками поверхностно-активных зещестз. Исследования гсорроэионной агрессивности ШПС.К составов с рабочей концентрацией 2-57. позволили установить, что при полном погружении скорость глрроэии составляет в растворе глхилбекголсульфэкислоты (ЛЕСЕ) - 0,7, щавелевой кпс-r,QTH - О,S3, итальянского ыощего состава - 0,27, состава "Зт-нас" - 0,001, серкой кислоты - 3,6 г/нг-ч. Раствор АВСК вызазает 'аэррозионпое растрескивание малоуглеродистой стали.
Исследования гаррозконкой агрессивности составов для профилактики сиерзання сыпучих грузов показали, что наибольшая коррозия :шзет іясто в 3%-ных растворах хлорида кальция и натрия соответственно 0,117 л 0,035 г/ы*ч. Некоторые вещестза ( севе-prai и илогркп) способны образовывать защитные пленки на поверхности стали, о чем свидетельствует результаты электрохимических исследования, и их южно использовать для противокоррозионной запиты раі&г и кузова полувагонов.
Рабочие и технологические среды сказывает больное влияние на устагостнуэ долговечность деталей, испытывавших циклические нагрузки. Испытаниями установлено, что при воздействии ЗХ-ного раствора К'гСІ ограниченный предел зкнослішосги рельсовой стали евдиается в 2 раза по сравнении с ограниченны!»! пределом выносливости ка воздухе, а скорость роста усталостных трещин при воздействии раствора АБСК на сталь 15ХСВД возрастает в 3-4 раза.
Тагам образен,, выявлены наиболее кор'розиенно агрессивные
-ze -среды, воздействующие на отдельные виды гэдэзнодорсаюй техники в процессе эксплуатации. Эти среды к искусственные среды, создание на их основе, использованы в дальнейших исследованиях для сравнительной оценки новых материалов и технологий изготовления деталей и элементов кэлезнодорояной техники.
В глазе 5 изломаны исследования, выполненные на низколегированных сталях с целью повышения их коррозионной стойкости в рабочих средах без снижения требований к прочности, хладостой-кости к свариваемости. Повышение коррозионной стойкости низколегированных сталей, используемых в вагоно- и мостостроении, без снижения механических свойств и свариваемости является резервом экономии металла, снидэння эксплуатационных расходов. Зарубежй опыт свидетельствует об эффективном применении ат-шеферостойких низколегированных сталей типа Кортен к (С< 0,12; !,'л 0,2-0,5; Si 0,25-0,75; Р 0,07-0,15; Си 0,25-0,55; Сг 0,3-1,25; Hi 0,65 и Кортен Б (С 0,1-0,19; Ып 0,9-1,25; Si 0,15-0,20; Р<0,04; Си 0,25-0,40; Сг 0,4-0,65; V б,02-0,1%) в конструкции грузовых вагонов, мостов и других сооружений, работающих в атмосферных условиях. Отечественный аналог стали Кортен Л, сталь ЮХВДІ, начиная с 1974г. с участием автора, получила широкая применение при изготовлении обшивы грузовых вагонов. Сталь 09Г2Д с 1972г. используется для изготовления основных несущих элементов раш вагонов (хребтовой балки и нижнего обвязочного пояса). Однако при решите грузовых вагонов продолжала приценяться малоуглеродистая сталь типа ЕСт. 3. В задачу исследований входило: разработать атмэсферсстойкую сталь для обшивы кузовов грузовых вагонов, не содержащую дефицитный никель, а атмосферостойкув сталь для мостостроения взамен сталей 15ХСНД и 10ХСЦЦ.
Исследования по оптимизации состава атмесферостойких сталей были выполнены в несколько этапов. На первом этапе была поставлена задача выявить легирующие элементы и примеси, оказывающие капЗольвее влияние на стойкость стали к атмосферной коррозии.
Для ре&'-аации этого этапа в ІДШЧМ было Еьшавлоно 32 опытньгх плавки, химический состав которых был задан матрицей планирования, составленной из трех матриц типа 2"б. Содержание 15 химических элементов а опытных плавках варьировали на двух уровнях: С 0,08 и 0,2; Мп 0,4 И 1,8; Si 0,2 и 1,0; Р 0,03 и 0,15; S 0,02 а 0,05; Си 0,1 и 0,5; Сг 0 и 1,0; Ni 0 и 1,0; ».Ь 0 и 0,2; V О И 0,15; Nb О И 0,2; As О И 0,12; А1 0 и 0,2; N0,015 и 0,035; Ті 0 и 0,27.. Испытания проводили в городской и промышленной атмосфере ЛКС !.йсква и ДеОамцево в течение 5 лет (1974-1979гг.). По результатам испытаний были рассчитаны уравнения множественной регрессии, отрахзщие статистически значимое изменение коэффициентов Л и В кинетического уравнения атмосферной іщррозии при варьировании содержания легирующих элементов и примесей на двух уровнях:
- в городской атмосфере
Аг = 179,1 - 12,БС - 9,25Cu - 11,6Ш + l?.Nb + 14,5As; Br = 0,537 + 0,D64Mi + О,02Сг -і- 0,02ІШ;
- в промышленной атмосфере
Лп = 274,4 - 12,1С - 9,18Ni - 9,1 f.b - 6,5V - 3,6Cu r 5.4S + -! 9,2As :- 8,25Nb;
Bn = 0,825 - 0,0330 - 0,O3Zf,ft - 0.027СГ - 0,026tJi - 0,0?.7to.
Глзйициеэты регрессии, отраяэющие вклад каддого из 15 э::е-ьйкчов г. стойкость против атмосферной коррозии ( по потере массы в г/!.?), приведены на рис. 7. Повышенна стойкости низколегированной стали против ішррозии в промышленной и городское атмосфере способствует увеличение содержания в стали углерода, фосфора, меди, никеля и молибдена. В промышленной атмосфере по-лоииелыю влияют на атмосфэростойкость добавки хрома и марганца'. Отрицательное влияние на стойкость к атмосферной коррозии оказывает повышенное содержание в стали серы, мышьяка и ниобия.
Вторая партия из 12 опытных плавок была выплазлена с целью уточнения влияния углерода (0,08 и 0,15%), хрома (0 и 0,8%) никеля (0 и 0,6%) и молибдена (0 и 0,27.) на стойкость низколегированной стали, содержащей 0,35% меда, 0,3(3% кремния, менее
- 23 -0,03 серп ;; фосфора. Состав 8 пламг. Сил задан матрицей планирования типа 2Л4. испытания проводил-! в течение 10 лет (1977-87 гг.) на двух ЛЕС. По результатам испытания для Сгзсвого составг 12ХЦЦМ рассчитаны коэффициенты в уравнениях регрессии, саязнзз-kjix величину коэффициентов А її В кинетического уравнения с хи-шческим еостазом стали:
Аг = 129,6 - 6,4С - З.бСг + 1,1?.Ні - 7,ШЬ;
ВГ * 0,335 -г 0,01870 - 0,0014Сг - 0,0265»і - 0,Q245.Vo;
An « 305,8 т 1,9С + 5,12Сг - 1,62Ні + 4,62!.Ъ;
Еп = 0,732 - 0,02-180 - 0.034СГ - О,0258Мі - О.СЗОбг.'о.
Эти уравнения подтверждают положительное слияние на стой-гасть к атмосферной коррозии ггоншзнкого содергзнил углерода, никеля и шлибдена.
Третья партия опытны-: плавок изготовлена и испьтана для уточнения влияния легирования хроьим, вгнздиеи и фосфором из ат:,-:осф?рсстойкссть низкоуг-кродпстоп стали базового состава типа С8ГД. Одновременно испытывал»; стали с более низким содержание и углерода 05ХГ2АЕОД и 05Г2АС5. Испытания показали, что хром а количестве до IS повышает стойкость стали к коррозии в пра-мглленной атмосфере и скидает в городской. ОосЁор (до 0,1%) повышает коррозионную стойкость сталей базового состава з обоих тініах атмосферы (рис. 8). Снижение содер.тания углерода до 0,05% резко ухудззет коррозионную стойкость низколегированных сталей дахе по срззкешш со сталью ЕСт. 3.
Испытания четвертой партии (14 плавок) проведены с целью уточнения влияния фосфора, углерода и хрома на атмосферостой-когтъ сталей базового состава, содержащих 0,3% меди, 0,32. кремния и 0,67. марганца. Испытания проводили в течение 6 лет (1983-69гг.). Установлено, что стойкость к атмосферной коррозии сталей базового состава продолжает возрастать с увеличением содержания фосфора до 0,5. Отмечено положительное влияние повышенного содержания в стали углерода и незначительное влияние хрома.
Пятая партия (20 опытных плавок) изготовлена специально для уточнения влияния содержания хрома на коррозионную стойкость
лоуглэроднстсЛ стали ЕСт.2 просэдеяи з їечошга 3 ::gt (1937-S0rr. ) Потери массы на ЛКС Дебааьцево поссг 30 изслцэз гспита-ні'л составили: сталь ЕСт. 3 - 987, сталь 1СВДП - GO-i, стаза ЮХНдП - 752, сталь 15хдп - 750 г/мГ
Испытаниям этих гз сталей в минеральных удобрэнкях, уз:^;яэп-кьэ: атмосферными осадками, з течение 0 месяцэз устаноглэно, что а? ус с й рос тонкие стали 10ХЩЦІ и 153СЭД га,:зо? в 1,4-1,8 ргз Qazso высокую коррозионную стойкость по сравнения со сталян?: 0ЭГ2Д и ВСт.З (табл.1).
-зо -
Таблица 1
Электрохимические исследования, выполненные на шлифованных и с продуктами коррозии образцах атмосферостокких і: малоуглеродистых сталей ра^'Л'чкьаіі у.этодаш, подтверхдаот способность ат-!/осферостонхих сталей образовывать продукты коррозии с повылен-ными зацитнкш свойствами
Эффективность применения атіюсферастойккх сталей в конструкции кузовов грузовых вагонов подтвергдена при обследовании состояния -элементов кузова полувагонов после 10-20 лет" эксплуатации. Измерения фактической толеины элементов раїй» и обшивы полувагонов показали, что в результате замены стали Ют.З на сталь 10ХЩП скорость коррозии обшивы уменьшалась в 3,2 раза, а при замене стали 09Г2 на сталь 09Г2Д скорость ыэрозии элементов рамы уменьшилась в 1,3 раза (рис.9). Обследование состояния крыз грузовых вагонов позеолило установить, что в результате замены сталі! ЕСт. 2 на сталь ЮлЦЦП средняя долговечность крыа до появления сквозных коррозиониш: повреждений увеличилась с 10 до 13,4 года или в 1,3 раза Сркс. 10).
В настоящее зрємя Карагандинский меткомбинат ежегодно поставляет заводам ШЕ около 4 тыс. т. листовой стали 15ХДП, что позволяет производить замену крыш на 5 тис. крытых грузовых вагонах.
Проблема повышения коррозионной стойкости сталей для мостостроения шеет специфику, которая состоит з том, что высокие требования к хладостойкости основного металла и сварных соединении
-J-f-
і^
z »5
К
С9ґл I I avail
<~JZ!i .
« l_ZiJ
ДУ* JT.-'t
ам
P=
ч—!^"""
їд±
СВ CM
/"од постройки
nZZETillZZLi
ею tS3
Иг, rtof/if.
s;
«I
Рис.9. Динамика изменения толщины и марки стали элементов кузсва полувагонов в период с 1964 по І99ІГ (а), схема расположения точек замеров (S), скорость коррозии обшиви полувагонов из стали ВСт.З (I) и ЮХНДП (2).
- Ъ2-
I Й
*/*"
\ \
! \
t, rcpj
Рис. 10. h'p'.iLuo частот нар^Сстки ;:р:-лп гругог-Ьл блгснсе д^ г.олз-лєниі: сквосных коррсгисшаг,,; повреждений: І - і:рьгли ио
стали ЇОХНДП,
іфИНІ КЗ СТ2-".К ВСт.З.
1 t'/Л
» : ;і » « и в в ы <;%
Рис.II. Скорость коррозии б растворах серной кислоты аусте-
нитннх нержавеющих сталей: І2ХІ8Г6К2Т (Г, ОсХІЄЛпЗСЗДЗІп (21, І2ХІ8НІ0Т (3), ШІ8НІ312Т (4), 06ХІЄАК8І13ЛЗР !5), ' 06X18ШЗЫ2ДЗР Со).
не позволяет использовать в мостовых конструкциях стали с повышенным содержанием фосфора. S связи с этим экспериментальные исследования по выбор/ более атмосферсстойкой стали для мостов были проведены на стали Сагового состава типа 14ХГД (С-0,14; Ш -0,89; Сг-0,82; Cu-0,44T.), в которой варьировали содержание никеля на двух уровнях 0 и 0,8?., молибдена - 0 и 0,П, циркония -О и 0.С2Х, церия - 0 и 0,017.. Испытания проводили в городской и промышленной атмосферах; для сравнительной оценки стойкости к атмосферной коррозии одновременно испытывали традиционные для местсстрсенил стали 15ХСНД и 10ХСНД. Состав опытных плавок был задан матрицей планирования экспершента, что позволило получить уравнения множественной регрессии для коэффициентов А и В кинетического уравнения атмосферной коррозии:
Ал = 315,7 - 14,3Ni - 15,7№ -2,7Zr - .21.2Се;
Ел = 0,7834 - 0,05Мі - 0,004Мз + 0,D07Zr.
Результаты свидетельствуют о положительном влиянии никеля и церия на стойкость стали к атмосферной коррозии в промышленной атмосфере. Эти элементы были введены в состав стали, которой присвоена марка 14ХГНДЦ (ЇУ 14-1-4519-88). ' Промышленное изготовление толстолистового проката мостостроительного сортамента (толщиной 10-32 мл) освоено на ' меткомбината "Азовсталь". " Из этой марки стали Воронежский мостовой завод изготовил три типовых пролетных строения длиной 55.м, которые установлены в опытную.эксплуатацию на Юго-Восточной, Кино-Уральской и Восточно-Сибирской ж. д. без окраски. По механическим свойствам, в частности по хладостойкости. сталь 14ХГНДЦ удовлетворяет требованиям к сталям для мостов северного исполнения.
Рассмотрена возможность повышения коррозионной стойкости низколегированных сталей в некоторых рабочих средах, в частности применительно к котлам сернокислотных цистерн. Испытания :i>L;,:-?> на опытных плавках первой партии, химический состав которых задан матрпцой планирования по методу случайного баланса для 15 химических элементов. Испытания в 93 и 0 серной кислоте позволили выявить зависимость скорости коррозии (г/м-ч)
-ън -
от наличия в стали химических элементов:
Vk (93) = 1,76 + 0.12SAS - 0,09С'+ 0,09Ni + 0,G5Si + О.ОбТі - 0,14S*N + 0,13Si*S + 0,12bb*As;
Vk (50) = 66,86 - 22.7CU + 13,7P + 12,2As -13.4N + 7,5Cr + + 9,4Cu*N - 7,9Cr*V + 8,lS*Wb.
Полученные зависимости подтверждает ранее стіечавгкйся факт, что наибольшее влияние на повызекие коррозионной стойкости низколегированных сталей в растворах серной кислоты оказывает легирование медью.
Такім образом, проведений исследования показали эффективность применения атмосферостойккх сталена конструкции кузоЕОВ грузовых Еагонов и постов. Уточнены систеїй! легирования низколегированных сталей, позволявшие выйти на более высокий уровень стойкости к атмосферной коррозии без снижения остальных служебных и технологических своистз. Предложены две юрки атмосферос-тойких сталей 15ХЦП и 14ХГКДЦ, производство которых освоено металлургической промкпленноетьЕ. Однако во многих рабочих средах ка низколегированных сталях нэ может быть достигнут желаемый эффект позызения коррозионной стойкости. Для работы з этих средах целесообразно использовать зысоколегкрозаккые нержавеющие стали.
3 глазе 6 приведены результаты исследования коррозионная устойчивости высоколегированных сталей в рабочих средах. Отмечается, что высоколегированные нержазеппіе стали находят все более сирокоэ применение в конструкции кузовов железнодорожного подвійного состава благодаря более высокой пластичности, прочности, хладостойкостн и коррозионной стойкости по сравнении с нкзколеркгозаннкии сталями, что позволяет снизить кэталлоец-кость подвижного состава, снизить эксплуатационные расходы на ремонт, увеличить нормативный срок службы. Нэржавещие стали продолжает оставаться наилучлзаг конструкционным материалом для изготовления кузовов высокоскоростного подвижного состава, поскольку при оптимальном конструировании удается снизить массу
-35" -
стального кузова до массы кузова та аладзсгазых сплавов.
Имеется тенденция расширения применения не только хромонікелевих нертавеслих сталеЛ аустекиткого класса, но и хромомзрган-цезых и хромистых сталей аустекігто-фзрриткого, феррнтного и Фэррито-мзртекситного классов.
Преимущества керлагею:зсе сталей реализуется з конструкциях железнодорожного подвитого состага з том случае, если коррозионная стойкость конкретных марок стали, намэчаемых к применена, лропла проверку на соответствие условиям эксплуатации, з частности, проверку коррозионной стойкости з рабочее и технологических средах, в которых сталь должна сохранять устойчивое пассивнее состояние.
Традиционней областью применения кэр^-авеюцпх сталей з конструкциях кузовоз железнодорожного подзиж-юго состава является изготовление котлов цистерн для транспортировки лицевых грузоз, особо чистой улучгекной серкой кислоты и кислотного меланжа. С середины 60-х годов улуч^экнуэ сернуа кислоту перевозят з цие-тернах с котлами из двуслойной стали 09Г2С + 12Ж8К13У2Т, а кислотний мэланх з цистернах с котлами кз голстолистозой стали 12Х18Г8Ь2Т. Однако, как свидетельствует опыт эксплуатации, коррозионная стойкость этих сталей недостаточна. Через 10-12 лет эксплуатации з верхней части котлоз сернокислотных цистерн, на внутренней поверхности наблюдается сквозная коррозия плакирую-шэго слоя, а з верхней части котлоз меланжевых цистерн наблюдается сквозные коррозионные повреждения з районе горловины и аездутлкого клапана.
В целях повышения коррозионной стойкости указанных марок стали и разработки новых составов сталі;, обладающее повышенной коррозионной CTOflKccTbD з рабочих средах, проведены корроакон-ные и электрохимические исследования на хрсмоникель».<олибденозых стилях балового состава С5Х18Н131Й и 06Х18К5ІЗ с дополнительная легированием і-едью (до 37.) с заменой молибдена на недефицитный кремний. Для сравнения в концентрированной и разбавленных растворах серной кислоты испытывали стали 12Х18Н10Т и 12Х13Г8Н2Т.
Испытаниями установлено, что введение меди резко повышает коррозионную стойкость в растворах серной кислоты концентрацией 20 -60S (рис. 11)^ Введение меди оказывает положительное влияние и на коррозионную стойкость сталей, в которых вместо молибдена введено порядка 3S кремния, что значительно снижает стоимость стали. Сталь типа 06Х18Н12СЗДЗР обладает высокой коррозионной стойкостью и в меланже. Положительное влияние введения меди в хромоникедьмолибденовую сталь подтверждает опыт эксплуатации сернокислотных цистерн с котлами из двухслойной стали 2GK + 06Х23Н28ИЗДЗ. После 12-15 лет эксплуатации нз внутренней поверхности котлов цистерн отсутствовали следы ксррсзии.
Рекомендовано для изготовления котлов универсальных кислотных цистерн использовать медьсодержащие хрсмоникелевые .чержззе-юцие стали, а также проработать вопрос о создании более герметичной конструкции котла, чтобы исключить разбавление серной кислоты в результате адсорбции влаги из атмосферы и снижения концентрацій! окислов азота в меланже в результате их испарения со стенок котлов.
При организации массовых перевозок минерального сырья и удобрений в специализированны? вагонах-мннералозоэах возник еоп-рос о выборе достаточно коррозионкрсто"йкого, прочного и технологичного материала для изготовления кузсЕОВ. В связи с зг::м были проведены исследования коррозионной стойкости сталеЯ 03X13, 15X25, 10Х14АГ15, 10Х13Г18Д, С9Х13Н10Т, СЗХ22Н5Т и 03X21 НБ1.2Т б контакте с аммиачной селитрой, хлористым калием, суперфосфатом, нитроаммофоской. Испытания в увлажненных удобрениях и их растворах показали, что стали с содержанием хрсмз 13-147- (03X13, 10Х13Г13Д, 10X14АГ15) имеет значительные коррозионные Повреждения В увлажненных УДСбреНИЛХ (СКОРОСТЬ ПИТТПНГСВОЙ
и язвенной коррозии составляет 2-6 мм/год). Хрсмоникелевые и хромистые стали, содержащие 13-255 хрсмз, обладают достаточно высокой стсккостьс даже в наиболее агрессивных удобрених. Хро-моникельмслибденовые стал;: сохраняют устойчивое пассивное состояние во всех увлажненных удобрениях и их смесях. Еагсны -ми-
ігераловози с кузозами из хрошникзльмолибдеіюпой стали находятся п зісспдуатащп! з замкнутых мзрврутзх
Несмотря на то, что з зарубзкксіі вагоностроении, начиная с 20-х годов, широко используются Esp:-ns3ES3i9 стали ДІЯ иэготовлз-:гия кузозоз пассажирских загоно::, в налгеґі стране до 1968г. такого опыта не было. В этом год/ на Тгэрском вагоностроительной заходе по рекс'/эндзцки ШЗШГ, ЕНИИЗ, ЦЕПИ.! из кер-зваклзй стали 10Х14Г1-1КЗ (Дй-5) кзготозлегш диа кузова нормированной конструкции (пол :і нп:-:нз пояса бокознн из нэргаззгс.зй стали, остальное элементу из традиционных «зро;-: глготглєгодпсїьг: и низколегированных статей). Обследование состояния пузозоз через 6 лет эксплуатации гкязило отсутствие слэдоз коррозии кз ві-ут-ренкей поверхности элекэнтоз, изготовленных из керкавэагэй сталії без нанесения іпстикн или лакокрасочного поіфьггіія. В дальнейшем, а связи с деенцкткостьа никеля, бьіяа поставлена задача разработать бозпикэлозую кэр.тазэгщуэ столь для кузогоз пгсса-лфсних загонов. 3 процессе совместного исследовании, нроаэдэк-кого ЕКЙЕТ, EHJOB, ЦКШЧЇІ, ТЕЗ, УК"Ззлоро"Лтадь" п УкрЕЖГзї, рекомендовано применять стала 12Х13Н8Д, яз которой изготовлено два опытных загона (1976г.), а зате!: опытная партия из 5 вагонов (1980г.). Обшва и елементи хестшети кузова, изготовлены целиком из нержавеющей стали, хребтовая балка кз ' низколегированной стали. Наружная поверхность кузова ш.:эла частичную окраску для придания вагону декоративного >вида, внутренняя поверхность кузова но окрашзадась. Обследование состояния неокрашенных наружных поверхностей кузовоз загонов через 1,5-2 года эксплуатации выявило недостаточную коррозионную стойкость стали 12Х13Г18Д, о чем свидетельствовало образование желтого налета рхазчины на неокрапениых поверхностях. Одной из причин образования налета ржавчины и потери декоративного вида неокрапэнных поверхностей явилось применение для удаления загрязнений с окон и наружной поверхности кузова кислых номщвс составов, в том числе растворов аккумуляторной серной кислота
Сравнительные коррозионные- и электрохимические исследования
- 38 -сталей 12ЛЗГ18Д, 12ХІ8Н10Т (аналога стали AISI 304, широко используемой в зарубежном пассажирском вагоностроении), 12Х18Т, 10Х14Г14НЗ позволили установить, что в водных вытяжках из теплоизоляционных материалов, контактирующие с внутренней поверхность» кузова, все стали находятся в уетойшшом пассивной состоянии, скорость коррозии составляет менее 0,01 к/Угод, шггтинговая коррозия отсутствует. Иначе ведут себя стали в кислих юифк составах. Установлено, что безникелевш и хромоізр-ганцэвыэ перяазевщад стали имеют недостаточную коррозионную стойкость в растворах соляной и серной кислот (табл. 2).
Таблица 2
Ал^кОэнзолоуль^окпслота (АБСК), обладающая хороший коюгдмн свойствами, значительно Солее агрессивна по отношению к кержа-вЕ?ш сталям, чем щавгіївая кислота, являющаяся основным компонентом ьое^іх средств, рекомендуемых ззрубгкныыи фирмам для удаления загрязнений с наружной поверхности кузовов naccaxzipc-гах Еагоноа. Кэ вызывает нарушение пассивного состояния нержа-ЕЄГЦИХ сталей щелочное ыощзе средство "Эгнас", а такяэ растворы ортсфоофорной и азотной кислот. Хромонікелевая нєржавекцая сталь 12Л8Н10Т обладает достаточно высокой коррозионной стой-костье во всех исследованных- составах.
С августа 1988г. Тверской вагоностроительный завод освоил серийное изготовление пассажирских вагонов с комбинированной
конструкцией кузогз ( пол и глинка пояса бокозии из хрсмэникэ-левой сталії 12И8Н10Т). Опыт эксплуатации этих пассажирских па-гонаа, а тон «люде с частично скрашенной наружной поверхностью, свидетельствует о пшокой коррозионной стойкости хроионшселевой стали, сохрзлнзпэй декоративный вид посла Д лот эксплуатации. Шло;*птельный опыт эксплуатации загонов с кузсзои из неокрашэк-ной нерхазекзей стали AISI SCM имеется :і Сахалинском отделении Дальневосточной ж.;;., гдо с 1935г. находятся в эксплуатации 10 дизель-поездов, изготовленных п Японии. Через 5 лот эксплуатации нергавекцгя сталь сохранила декоративны* вид, следы корро-зии отсутствуют.
Прозедэкы исследования еозмо?глосїи пркшкония хромистых кер-.-.дзегадих сталей феррита-мартексптяого класса для изготовления кузовов рефрижераторних вагонов.
Таким образом, проведенное исследования подтвердил:! эффективность применения нержавеющих сталей в конструкции кузогоз подздаз-юго состава и необход;:мость контроля как коррозпонноЛ стойкости з рабочих средах марок стали, использусмвс з вагонных конструкциях, так и коррозионной агрессивности технологических сред, ЕСздепетзуткщ на вагоны в процессе эксплуатации.
Реализацией -этой пасти роботи явилось оснащение вагонного парка вагонамі с кузоваш из коррозиокностойких кзтериаяоз, не требующими ремонта из-за коровий кузова з течение Ееего корж-тинного срока сдукбы (пгса.тирскиэ загоны и вагоны-мшералоЕоэы).
Намечени пути создали безремонтные по коррозии конструкций кузозоз рефрижераторных вагонов п кислотных цистерн.
В главе 7 приведены результаты исследований по повышению коррозионно-усталостной долговечности рельсов и рубасек цилиндров тепловозного дизеля типа Д100.
За последнее 5-7 лет резко увеличилось количество изломов рельсов под поездами из-за образования корроэионно-усталостных трещин в подошве.
Учитызая ваглость разработки іаропріктий по предотвращу наймов рейсов в пути, в задачу исследований входило:
установить причину появления коррозионно-усталостных ті щйк в подошве рельсов;
каьатить пути снижения поврелдаеыпсти «зі предотБраїзеї-образования дефектов 69.
Для установления причин образования коррозионно-усталостЕ трецин в подошве рельсов были проанализированы условия экспл? гтацки на участках пути с наибольшей повреядаеюстья зтим д фактом; проведены корроэиошю-усталостнке испытания полнэпр филзных релісов ковкі я снятых е эксплуатации по дефекту 6 ксследоЕан состав р>звчину а зоне образования дефекта 69 в ц лях обкгрукекия пстощагког повышенной агрессивности среди; ис лэдовзло влияние наложения постоянного к переменного тока корраэнояш-усталосгную долговечность полнопрофильных рельс пан их стендовых испытаниях.
Исследованиям: установлено, что балапинетке изломов происх дйт ка участках басстькового пути с псвыгекной грузснапряга; яостьа :-: гфеимуцественнк* дзіоениен грузовых псездові Есе излі ish происходили от усталостных трещин, раззивзлхся в зо: контакта подогсм рельсог; с резиновый: кли рс-зикокпрдозьал: прої гадками илн карточками для виправки пути, что подтвергдгэт і коррозкзкяо-уетзлосткіЗ характер. Ілзталлургкческке дефекты фокусе развития усталостных spcsjci кг ебнзруиокы.
Стендовій коррозконно-усталостккэ испытания позволил;: устг новеть, что растЕОры электролитов (кислю и нейтральній) pea* ( в 10 раз) CHK52K? долговечность сбъеыно-ззкаленньк рельсої Так, при испытании с ізксіаедькоа нагрузкой пульсирующего кзп: ба 700 кН сОьешгО-зачалгннаэ рельсы типа Р65 (производства Ш ввдержйваш без разрушения 2 ылк. циклов, а.в контакте со слабь ыи расгЕораш серной кислоты или хлорвда натрім разруззекиг прс исходит через 160-1ЕО тгл. циклов (рис.12). Снижение коррозкон коя' агрессивности среди путей снижения концентрации растворе серЕСй кислоты ( от 20 до 1%) я переход к нейтральному 3-коіі раствору хлорида натрия при ызкмшзьнои нагрузке цикличэског кзггба еыеэ 500 кн практически не отражается на положэнии крк
-m-
і
I ИЗ»Э9 « Л С» d ft І» « «*Ї?С»
Рис. 12. Число циклов до разрушения рельсов типа F65'( -объемно закаленных, производства ЮДОіпри циклическом изгибе на воздухе (I) и при контакте подошвы рельса с раствором серной кислоаы (2). '
-'IP. -
soft ограниченной долговечности. При мзнышх нагрузка долговечность возрастает при енидаюш агрес ситосте растворов здзіетро-литоз. Ограниченный предел еігкослпеосги в 3%-hou растворе зелорвда натрия при базе исшления 2 цлк. составляет 400 кН, г кислых растворах сульфатов 250 кН или 2000 кг/см?" Тогда ьаь: прк кепша-ГїШ на, ряздууе ограниченный предел вьп-юсдкесстк тах ?.' обьеїзо-заіаленньк рельсов составляет 700 кН или 4000 кг/счі" Бри іиигакге с кисльмі растворами іізло'/н происходили or трещи, ялсшадь которых составляла от 2 до 46л от илеезди сечения поделан рельса, причо:-/. разгар трепля но зависел от уровня хакси-шлькой ::агрузкл, что, по-видимому, обусловлено наводоро.чнвани-амрельсоЕой стали перед фронтом распространения трэцикн, 3 копта'тге с нейтральні;:-! раствором по tape сшіпенш: иакспиалькои нагрузки циклического изгиба уголіг-сЕзлся размер трещіл, пригодная к изяему.
Исследование влияния тошз уточни на коррозпониуа усталость при і-актакте подоеэ:-: рельсов с 3X-h*jj.: раствором хлорида нитрия поггаззло, что при одинаковой максимальной нагрузка циклического кзгкОа 500 кїї к -отсутствии внешнего тска сбъоюю-закаленные рельсы 2Ь'Д2Р?нзаэт до разрусешш 743 тыс. циклон; пси пропускании чэроа зону контакта с электролитом анодного тока величиной 100 tA долговечность составляет Е72-Б75 ткс. цж-оь; при пропуск катодного то;:?, той ::э еэличины - 6S0 - 33 vi-jc. цикшз; прк пропуска пзрэизннсго тока - 054-781 тыс. циклок.
Остаточній ресурс оценивали ко усталостной долговечности рельсовнк проб, шргэаг-пгых рядом с пестом образования дефекта 69. Испытания показали, что при отсутствии начальные коррозиок-ко-уст&госткых трецш-і s шдешае рельсы есхракяат достаточно dh-сокуя долговечность, хотя і: значительно кэнызуа, чем hqhls ррдьсы. Так, при максимальной нагрузке циклического изгиба 800 кН козье рельсы выдеряиваэт 859, г бывшие в эксплуатации 218 гкс. циклов. При нагрузках 400 и 500 кК снятые с пути объэм-ЕО-азкагенккэ рельсы, не кієпез-й трещи в подовве, как и козш рзльси, выдерживая? без разрупекил 2 цдн. циклов ка воздуха. В
- 4f3 -кочтакто со средой при угвскьакноЗ нагрузке циклического изгиба 500 кП долговечности снятые с пути рельсов составила 529, а :юзж 931 тыс. циклов. Одкгко при каяичш я рэдьссвых пробах, снятых с пуїії, начальных усталостных треции ( дефеета 59) их несущая споссОкосг:> и остаточная долговечность резко снижаются. йкотсрае пробы с дефектом 60 разрушились при кзгибгщэя нагрузке 400 Г.Н.
Состав продуктов коррозии п зоно образование деузктез 59 определяли методом локального рентгеноспектрального анализа па установке "Ка:,-:эбакс SX-50". Исследование показало, что з слое ржззчикы на поверхности контакта подоовы рельса с резиновой прокладкой наблюдается повызокпоэ содерггшио хлора - 0,'2Э, серы
0,43, крэ?.:ния - о;1, алюминия - 0,53, натрия - 1,05, кальция
1,257.. И слоэ р;-.звчгаш ;-'.етлу пиалами содержание хлора - 0,13, сэры - 0,62, крешш 4,7, аіамшия 2,24, натрия 0,0, кальция -1,0-4%. Практически одинаковый состав ржавчины на поверхности контакта подсевы рельса с резиновой пронлад:сой и мелду апзлакп свидетельствуй' со отсутствии агрессивны}-: компонентов,' попадшз-зих з квдкуд среду и з ркиачину из резина. Наиболее агрессивными ггампонэнташ! среды являются соединения хлора и серн, Образующие лэгкорастЕоргашэ соединения. "
Полученные результаты свидетельствует о стохастической природе образования коррозискно-усталостных трещин з подошве рельсов. Несмотря на то,, что на каядом километре пути имеется более 2600 мест контакта подошвы рельса с подкладкой, коррозонно-ус-талостные трефны возникают не п ісзждом :.:есте контакта. При ofi-щэм снижении долговечности за счет воздействия коррозионной среды избирательность появления дефекта 69 а значительной мере связана с неравномерностью распределения максимальных изгибающих напряжения по длине рельсов и общим повышение уровня напряжений от изгиба рельссв при переходе на более высокие осевые нагрузки. Сопоставляя величину напряжений з подоите, к. .юрая достигает 1150 кг/см, с ограниченным пределом выносливости полнопрофильных объешо-закаленных рельсов на воздухе (4000 кг/см)
-чиїх в контакте с раствором электролита (2000 кг/см* ), южно заключить, что накопление усталостных повреждении имеет место только в условиях воздействия коррозионной среды. Если раствор электролита высыхает или замерзает, накопление повреждений идет по кривой ограниченной долговечности на воздухе. В период увлажнения зоны контакта накопление повреждений идет по кривой ограниченной долговечности при коррозионной усталости.
Снижение повреждаемости рельсов дефектом 69 может быть достигнуто за счет: а) снижения уровня напряжений в подоиве рельсов от изгибающей нагрузки путем ограничения осевых нагрузок, повышения жесткости подрельсового основания, снижения температуры затяжки рельсовых плетей; 0) повышения коррозионно-уста-лостной долговечности новых рельсов путем создания сжимающих остаточных напряжений в подошве; в) сокращения длительности увлажнения подошвы рельсов путем нанесения гидроизоляционного покрытия, снижения гигроскопичности резиновых и резикокордовых прокладок и карточек для выправки пути; г) предотвращения загрязнения балласта и зоны контакта подошвы рельса с 'прокладкой хлоридаїш и сульфатами.
Для создания остаточных сжимающих напряжений в подошве рельсов разработан способ . холодной правки рельсов ( заявка N 4404943/27 ).
Коррозионная усталость рубашек цилиндров тепловозного дизеля Д100 экспериментально исследована путем стендовых испытаний на пульсаторе с использованием специального устройства, позволяющего воспроизвести циклическое внутреннее давление, воздействующее на рубашку при работе дизеля ( а.с. N 1107708). На основе анализа путей повышения коррозиоино-усталостнсй долгозвчлосхл было решено создать остаточные сжимающие напряжения в зоне возникновения коррозионно-усталостных трещин в районе адаптерных отверстий. Для создания сжимающих остаточных напряжений в зоне адаптерных отверстий предложена технология изготовления рубашек цилиндров теплоЕоаных дизелей, которая состоит в том, что с по-
юеціЮ установки ТВЧ производится локальний нагрев до тешетару-ры 600-700 С гоны шириной 20 мм, расположенной на расстоянии 25 мм от кромки адаптерных отверстии ( ас.N 1004478). При охлаждении а зоне нагрева возникают растягивающие напряжения, а в зоне возникновения корроэконко-усталостных треіцин, у адаптерных отверстии - остаточные сгамзщие напряжения. Натурные _испытания рубашек цилиндров показали, что з контакте со средой ограниченный предэл выносливости ка базе 5 млн. увеличился на 20, а долговечность - в 2-3 раза.
Эксплуатационные испытания дизелей, оборудованных рубапка.'«1 цилиндров, изготовленных по новой и старой технологій, показали, что предложенная технология позволяет уменьшить в 7 раз количество трегзта при одинаковое пробеге тепловозов. Технология термоупрочнения рубашек цилиндров путем локального нагреза ТВЧ внедрена на Даугазпилсском ЛРЗ, имеющем годовую программу из изготовления 20000 шт.
обще вывода.
і. Разработанные автором нормативно-технические документы п оценке технического состояния и учету потерь от коррозии н предприятиях излезнодорокного транспорта, выполненный на их ос еоеэ статистический анализ скорости коррозии и долговечном отдельных элементов подвійного состава, металлоконструкций верхнего строений пути, позволили сформулировать задачи иссле дованкя, лать научно-техническое и экономическое обосковаки необходшхтн повышения коррозионной стойкости конструкционны натериааоБ, кскольауеиых для изгстовленил конкретных видов элементов г.олсзі;одоро;шой техники, а такгз обосновать неоОходи масть iiosiseiiisj ііорроаионно-усталостной долговечности рельсов рубагэк цпшщров їошюбозньк дизелей.
?.. Аналитический обзор созрєьакнья юделей коррозии и кор розйоиной усталости позволил автору выявить наиболее эффектив кь.'э концептуальное подходи :с изучению этих явлений, обоснозат целесообразность использования физикохш.яческих моделей и ста ТЕСїичеекого анализа при изучении причин коррозионных повреэдэ ник 2г2хезнодоро-"-юй техники в зксплуатацїяі; электрохшически моделей и сикергетического подхода при вкЗоре и разработке ко внх їіс-тодоз исследования; статистических шделек для оптишэа щи хта;чэского состава стали и технологии изготовления элеиен тов яелезнодорогзюй техники.
3. Варяд7 с традициокньазі методами лабораторные и стендо Енх атмосферных коррозионных испытаний, используемых для опре деления стойкости конструкционных материалов, в рабочих и тех НОЛОГИЧ2СККХ средах, автором использованы новые современные ь-е тиды исследования (определение состава продуктоз коррозии путе локального спектрального . анализа, определение тока коррозгаї п поляризационный кривым), в том числе методы и методики испыт ния, разработанные автором для:
- о:зределенкя устойчивости пассивного состояния сталей окислипэльЕО-восстановительных средах по скачку потенциала пр гитроаолии (реализация синергетического подхода, теории бифур кации н теории катастроф в коррозионных исследованиях);
- 47 -- определения коррозионко-усталостноп долговечности натурных элементов талезнодороздюЯ техники: рельсов, рубашек цилинд-роз тепловозных дизелей (а. с. К 1101708).
Ійтодические разработки автора отражены з ГССТ 9.909-86 к международном стандарте КСО 7441-1934 Е.
4. Коррозионная агрессивность рабочих п технологических сред являете;-: рєезггдхи факторен при ві-іборе каиструкдиотгых материалов по показателя наработки до появления коррозкоїшк повреждений или оїїазов. Для мэталлкчэских мостов, металлоконструкций контактной сети, элементов универсальных грузовых вагонов (крытых и полувагонов) рабочей средой является атмосфера с повіеєнниі содержанием примесей (хлоридов и ернистого газа). В зонах застоя остатков перевозкой грузов коррозионная агрессивность срзды повышается. Для кузовов специализированных вагонов-миералозозоз рабочей средой являются раствори іяше-раяьных удобрений. Для кузовоз пасскпірских загонов - увлаженная теплоизоляция и мещне состази. Для кислотних цистерн -растворы серной кислоты и меланза. Для релгеоз йесстшззого пути - увлалненные загрязнения, резина я рээшюкорд. Для рубашек цилиндров тепловозных дизелей - охдаддазщзя года
Проведенные исследования позволили уточнить влияние состава рабочей среды на скорость коррозии :.элоутлеродистой стали, на коррозионно-усталостнуи долговечность рельсоЕОй стали.
5. Многолетние испытания низколегированных сталеґі з городской и промышленной атмосфере, а такта ускоренные коррозионные испытания в искусственных средах позволили получить статистические модели влияния химического состава стали на скорость, коррозии. Показано, что. коррозионная стойкость низколегированных сталей зависит не только от степени легирования химически стойкими и легко пассивирующимися элементами, но и от окислительно-восстановительных свойств и состава среды. С увеличением коррозионной агрессивности среды влияние легирующих элеыактов изменяется как в количественном, так и в качественном отнета-нии. Так, увеличение содержания хрома до 1,5Х в низколегирован-
-48-.-ной стали ведет к увеличению коррозионной стойкости в условиях повышенной влажности чистого воздуха и к снижении стойкости при переменном погружении в ЗХ-ный раствор хлористого натрім.
б. Оптимизация химического состава низколегированных сталей по показатели их атмосферостойкостис учетом требований к механическим свойствам и свариваемости привела к разработке стали 15ХДП для ограждащих (толщиной менее 5 мм) элементов кузовов грузовых вагонов (заявка N 4428350/23-02, 1079785) и стали 14ХГНДЦ для несущих элементов пролетных строений мостов толщиной 10-40 км.
Реализацией этой части работы явилось освоение серийного изготовления, начиная с 1976г. , грузовых вагонов с обшзой из стали 10ХНДП, а несрщх элементов рамы is стали 09Г2Д с гарантированным содержанием меди. При ремонте крытых грузовых заго-коз, начиная с 1986г., применяется сталь 15ХДП (ТУ 14-1-2554-83) производства Карагандинского Ж Сталь 14ХГВДЦ (ТУ 14-1-4519-83) применена для изготовления 3-х пролетных строений юстоз длиной 55 м, которые установлены з эксплуатации без окраски в трех атмосферноклиштических зонах. Та уровне прочности и хладостойкостк, в том числе после старения, сталь 14ХГЇЩЦ производства Ш "Азовсталь" превосходит известные з мостостроении стали 15Я2ЭД и 10ХСЕД. Она рекомендована для изготовления мостов северного исполнения.
7. Уточнены граница устойчивости пассивного состояния ряда высоколегированных коррозиокяоетоиких сталей в рабочих и технологических средах, установлено:
- хроиэмарганцезая. сталь 12ИЗП8Д значительно уступает стали 12Л8Н10Т по коррозионной стойкости а ьтюсферных условиях и в кислых мэес5ос составах. Ее целесообразно использовать для изготовления кузовов паесатареккх загонов только в случае окрасии наружной поверхности кузова, тогда как сталь 12И8Е10Т обеспечивает декоративный вид кузова без его окраски при изготовлении и в процессе эксплуатации. Разработана травильная паста для удаления высокотемпературных окислов со сварных соедкне-
ний и придания декоративного вида неокрашенной поверхности кузова;
- хромистые (с содержанием хрома более 20Z), хромонике-левые и хромоникэльмолибденовые стали сохраняют устойчивое пассивное состояние в растворах и увлажненной массе минеральных удобрений;
- хроыондаельюлкбденомедистые стали типа 083ЕЗН28ЩЦЗТ и
06X18Н1312ДЗР з отличие от применявши в настоянре время для
котлов кислотных цистерн стали 033Q8H1Z12T (в виде плакирующего
елся) сохраняют устойчивое пассивное состояние в разбавленной
серной кислоте лвбых концентраций. В кислотном меланже высокул
стойкость показала сталь 06Х18Ш.ЗСЗДЗР.
Реализацией этой части работы явилось:
- освоение с августа 1988г. серийного выпуска на Тверском
ЕЗ пассажирских вагонов с комбинированной конструкцией кузова
С сталь 12Л8Н10Т - пол и нижний пояс боковины, сталь 03 или 10
- средний и верхний пояс боковины, крыша, торцовые стены). Объ
ем производства 1250 вагонов в год;
8. Исследование коррозионно-усталостной долговечности рельсов показало, что причиной появления дефекта 69 на участках бесстыкового пути является увеличение за последние 5-7 лет осевых нагрузок особенно на грузовых направлениях, применение гигроскопичных резиновых .и резинокордовых прокладок и карточек для выправки пути, отсутствие ограничений кривизны рельсов под нагруженным колесом и катодов ее непрерывного измерения на действующих участках пути.
Разработана технологическая схема роликовой правильной машины, позволявшей оптимизировать уровень остаточных напряжений по сечению закаленных рельсов и тем самым повысить их кор-розионно-усталостнул долговечность (заявка N 4404948/27).
9. Разработана технология термического упрочнения рубашек цилиндров тепловозных дизелей- путец создания остаточных сжимапдих напряжений в зоне адаптерных отверстий (а.с.N1004478).
- 50 -Технология термоупрочнония освоена на Даугаапилсском ЛРЗ в 1983 году. Еыход рубашек цилиндров по коррозионно-устапостным трещинам снизился в 7 раз.
10. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработок автора в ценах 1983г. составляет более 10 млн. рублей.
-Si-
