Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Анализ повреждаемости труб по статистике аварийных разрушений магистральных газопроводов 8
1.2 Общая характеристика разрушений труб магистральных газопроводов по причине наружного коррозионного растрескивания под напряжением 12
1.3 Анализ представлений о механизмах повреждения стресс-коррозией металла труб подземных магистральных газопроводов 20
1.4 Влияние внешних и внутренних факторов на стресс-коррозионное разрушение магистральных газопроводов 27
Глава 2. Методика проведения исследований 46
2.1 Выбор и обоснование исследуемых сталей 46
2.2 Отбор металла для исследований 52
2.3 Стандартные методы исследований 52
2.4 Специальные методы исследований 54
2.4.1 Методика коррозионно-механических испытаний сталей (SSRT-испытания) 56
2.4.2 Методика поляризационных электрохимических измерений 59
2.4.3 Методика фракционного анализа водорода 61
2.4.4 Магнитный метод оценки внутренних напряжений 68
2.4.5 Методики электронномикроскопических исследований тонкой структуры и фрактографических исследований изломов 72
2.4.6 Методики анализа состава грунта 73
Глава 3. Влияние внутренних факторов на стресс-коррозионное разрушение сталей магистральных газопроводов
3.1 Исследование характера разрушения, структуры и свойств аварийных труб разных способов производства 74
3.1.1 Трубы из нормализованной стали 17Г2АФ 74
3.1.2 Трубы из стали контролируемой прокатки 10Г2Б 87
3.2 Изучение парциальных электрохимических реакций на поверхности трубных сталей разных способов производства 102
3.2.1 Изучение парциальных электрохимических реакций методом внешней поляризации 102
3.2.2 Оценка механоэлектрохимических эффектов растрескивания при различной поляризации 114
3.3 Исследование влияния химического состава, структурных особенностей и механических свойств на сопротивление стресс-коррозии трубных сталей для магистральных газопроводов 119
3.4 Влияние поверхностных остаточных напряжений на сопротивление стресс-коррозии сталей труб различных способов производства 133
3.5 Субструктура стали Х70 в областях резервной трубы с разным уровнем внутренних напряжений 139
Глава 4. Разработка практических рекомендаций 146
Выводы 156
Список литературы 159
- Общая характеристика разрушений труб магистральных газопроводов по причине наружного коррозионного растрескивания под напряжением
- Влияние внешних и внутренних факторов на стресс-коррозионное разрушение магистральных газопроводов
- Методика коррозионно-механических испытаний сталей (SSRT-испытания)
- Изучение парциальных электрохимических реакций на поверхности трубных сталей разных способов производства
Введение к работе
Актуальность работы. Надежность и полнота обеспечения российских потребителей природным газом и увеличение объемов его экспорта в начительной мере зависят от надежности эксплуатации и долговечности магистральных газопроводов (МГ). Анализ возрастной ситуации на магистральных газопроводах ОАО "Газпром", динамики и структуры аварийных разрушений, нарабатываемости трубопроводов до аварии и других показателей, свидетельствует о неблагоприятных тенденциях в отношении долговечности и надежности труб. Особую озабоченность вызывают разрушения из-за коррозионного растрескивания под напряжением (КРН, стресс-коррозия). Их доля в общем числе аварий достигла 42%.
Если аварийность по традиционным причинам (дефект материала, брак строительно-монтажных работ, коррозия, механические повреждения и др.) достаточно изучены и принципы ее снижения эффективно работают, то явление стресс-коррозии изучено недостаточно. Методы прогнозирования и выявления этого процесса пока остаются пассивными, ориентирующимися на участки магистральных газопроводов с выявленной авариями или внутритрубной дефектоскопией (ВТД) повышенной опасностью. Предотвращение аварий достигается средствами дорогостоящей ВТД или испытаниями подверженных стресс-коррозии участков магистральных газопроводов повышенным давлением. Однако, несмотря на увеличение объемов внутритрубной дефектоскопии, ситуация со стресс-коррозией не улучшается. Растет число аварий, наблюдается опасная тенденция к расширению географии стресс-коррозионных разрушений МГ.
В значительной степени эффективность практических мер по предотвращению аварий из-за стресс-коррозии сдерживается отсутствием четких однозначных представлений о механизме и закономерностях развития процесса. Многие факты и случаи растрескивания не находят адекватного научного обоснования в рамках предлагаемых моделей стресс-коррозии. В связи с несовершенством экспериментальных методов изучения этого процесса основным источником информации о стресс-коррозионной повреждаемости магистральных газопроводов остаются результаты полевых исследований и статистические данные по отказам и авариям на газопроводах.
Данная работа направлена на изучение влияния внутренних (металлургических) факторов стресс-коррозии стальных труб, и изыскание путей совершенствования технологии производства труб для повышения их стойкости против растрескивания. Понимание роли металлургических факторов и механизма стресс-коррозионных повреждений труб имеет важное значение для разработки научно обоснованных требований к материалу труб.
Цель работы: определение внутренних (металлургических) факторов стресс-коррозии, контролирующих сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением трубных сталей различной технологии производства в грунте; разработка рекомендаций по оптимизации производства труб для повышения устойчивости против стресс-коррозии.
Научная новизна работы. В результате систематических исследования влияния внутренних (металлургических) факторов на стойкость сталей для магистральных газопроводов к стресс-коррозии впервые установлено, что на разрушение в грунте с рН, близким к нейтральному значению (5,5-7,5) основное влияние оказывает структурное состояние современных трубных сталей различного химического состава и способа производства листов и труб. Обнаружено экспериментально и подтверждено статистикой аварийных разрушений, что различное структурное состояние основного металла и заводского сварного соединения в трубах разных способов производства может отвечать за различное расположение зон предпочтительного зарождения и развития стресс-коррозионных трещин и очагов аварийных разрушений на внешней поверхности труб наряду с зависимостью растрескивания от изменения обводненности и агрессивности грунтов по периметру трубы.
Наиболее подвержены растрескиванию: в трубах из нормализованных сталей -зона сварного соединения в области усиления сварного шва с крупнозернистой структурой; в трубах из сталей контролируемой прокатки - зоны основного металла с повышенными в результате формовки напряжениями и деформациями.
Установлена природа пониженной стойкости сталей контролируемой прокатки, которая обнаружена в эксплуатации и подтверждена экспериментально. Высокая степень деформационной структурированности, макронеоднородность распределения и высокий уровень остаточных напряжений, и их высокая анизотропия, обнаруженная в различных направлениях измерения, приводят к аномально большим по сравнению с нормализованными и термоулучшенными сталями механохимическим эффектам, регистрируемым при активной локализованной пластической деформации. Катодные механохимические эффекты, проявляющиеся в ускорении реакции разряда иона гидроксония и поглощения восстановленного атомарного водорода существенно превосходят анодные, проявляющиеся в ускорении активного растворения сталей.
Впервые экспериментально показано, что определяющее влияние на механизм стресс-коррозии в реальном грунте оказывает реакция восстановления водорода на катодных участках трубы, контактирующей с грунтом нейтральным или близким к нейтральному занчениями рН, которая ускоряется под действием активной пластической деформации в зоне растущей трещины.
Практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по выбору критериев оценки сопротивления трубных сталей стресс-коррозии, развивающейся в грунтах со значениями рН, близкими к нейтральному значению. Рекомендуемые критерии предельной локализованной пластической деформации позволяют ранжировать стали по сопротивлению стресс-коррозии и грунтовые среды по стресс-коррозионной активности. Они могут быть использованы в металлургической и трубной промышленности для оптимизации технологии производства трубных сталей, листа и труб большого диаметра и в газонефтяной отрасли для коррозионного мониторинга состояния противокоррозионной защиты МГ.
Результаты проведенных в диссертационной работе исследований влияния металлургических факторов на сопротивление современных трубных сталей стресс-коррозии позволили разработать рекомендации по оптимизации технологии производства сталей, листа и труб, направленной на повышение их устойчивости против разрушения в условиях подземных МГ, проложенных в нейтральных грунтах и подверженных стресс-коррозии.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались на четвертой научно-технической конференции, посвященная 300-летию Инженерного образования в России. "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России", (г. Москва, январь 2001г.), на 55-той юбилейной Межвузовской студенческой научной конференции. "Нефть и газ - 2001". (г. Москва, апрель 2001г.), на четвертой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. "Новые технологии в газовой промышленности", (г. Москва, сентябрь 2001г.), на 56-ой Межвузовской студенческой научной конференции. "Нефть и газ - 2002". (г. Москва, апрель 2002г.), на Всероссийской научной конференции ученых и студентов. "Нефтегазовые и химические технологии", (г. Самара, октябрь 2001г.), на Межрегиональной молодежной научной конференции, посвященная 35-летию УГТУ. "СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ - 2002 ". (г. Ухта, март 2002г).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей.
Общая характеристика разрушений труб магистральных газопроводов по причине наружного коррозионного растрескивания под напряжением
Анализ отечественной [5,17-28,44-54,69-75] и зарубежной [39,112-133] литературы по КРН показал, что наружное коррозионное растрескивание под напряжением в подземных катодно защищаемых магистральных газопроводах, обусловленное нарушением изоляционного покрытия, имеет место во многих старанах: США, Канада, Австралия,Франция,Словакия и других. Опыт ликвидации аварий и сопровождающие их исследования внешних условий (температура, грунт, давление и т.п.) и поврежденного металла труб дали основание выделить две разновидности наружного КРН отдельными терминами (табл. 1.1) [39,93,126,130].
Проблема наружного КРН металла труб газопроводов первоначально возникла в начале 60-х годов, когда в США произошла крупная авария газопровода в результате многочисленного коррозионного растрескивания внешней поверхности металла трубы под отслоившейся изоляцией. После этой аварии в 1965 году были проведены гидравлические переиспытания повышенным давлением многих уже давно находящихся в эксплуатации, газопроводов. Анализ их результатов и исследований разрушенных труб на МГ 15-ти восточных штатов США по специальной программе Федеральной энергетической комиссии, дал следующие результаты [121]: -множественное коррозионное трещинообразование происходит на внешней стороне стенки газопровода в нижней части трубы (между цифрами 5 и 7 по циферблату часов);растрескивание металла труб происходит в основном вблизи компрессорных станций (до 90% случаев), там, где повышенная температура газа (вследствие его сжатия на компрессорной станции) и, соответственно, горячие стенки трубы газопровода;повреждения труб происходят в концентрированных бикарбонатных грунтовых электролитах при повышенных (более 40С) температурах. Филиал института Баттеля в Колумоусе (штат Огайо) исследовал за двадцать лет около 30 случаев наружного КРН на различных магистральных газопроводах. Специалисты также пришли к выводу, что наружное КРН, главным образом, связано с карбонатами и бикарбонатами. Появление у поверхности бикарбонатов, они связывают с использованием катодной защиты [116]. Анализ 30-ти случаев разрушений трубопроводов с 1965 по 1985 год выявил дополнительные детали карбонат-бикарбонатного КРН: большинство случаев разрушения трубопроводов происходило в области температур ( 40С); рентгенографический анализ идентифицировал в семи случаях карбонаты железа (FeC03) как продукт взаимодействия поверхности трубы с коррозионной средой; в зоне трещин под слоем покрытия рН равно 9-12, т.е. было щелочным. КРН назвали high рН SCC.
В 1986 году на трансканадском газопроводе были зарегистрированы три серьезные аварии с явным КРН металла труб [39,124-126,130]. Эти аварии инициировали проведение гидравлических переиспытаний и полевые обследования отдельных участков трансканадского МГ. Переиспытания на трансканадском газопроводе, построенном в 1972-1973 годах, диаметром 914 х 9,1 мм из стали Х65 и имеющем длину 11 тыс.км, выявили дополнительно к трем более ранним авариям еще 16 серьезных повреждений, из которых 9 были вызваны КРН [130].
В то время как из трех аварий одна произошла на трубе с битумным изоляционным покрытием, а две - под пленочным вблизи продольного шва, то после того, как прошурфовали 450 мест, обнаружили 173 дефекта под пленочной и 27 под битумной изоляцией [39,130].
Полевые исследования показали следующее: под покрытием рН электролита не превышало 7,5 ,т.е. было не щелочным, а близким к нейтральному значению; обнаружены преимущественно бикарбонаты; найдены сульфатвосстанавливающие бактерии, деятельность которых могла приводить к появлению сероводорода, углекислоты, органических кислот и других агрессивных компонентов; не обнаружено температурной зависимости повреждаемости труб.
Результаты, полученные американскими [121] и канадскими исследователями [130] привели к идентификации повреждаемости труб новым видом КРН. Его, в противовес карбонат-бикарбонатному КРН с высоким рН (high рН SCC), назвали КРН при низком рН (low рН SCC). В России в это время был введен в обращение технический термин "стресс-коррозия". Были указаны следующие общие признаки:стресс-коррозия имеет место только на внешней поверхности трубы [3,5,48-53]; повреждение наружной поверхности газопровода преобладает в нижней четверти трубы [5,48-53,57-61]; повреждение поверхности металла трубы характеризуется зарождением на локальном участке металла стенки трубы колонний трещин, соседствующих с магистральной; повреждение имеет локальный характер и далеко не всегда совпадает с различными дефектами поверхности металла и сварных соединений, попавших в зону разрушения (коррозионное утонение стенки трубы, коррозионные питтинги и язвы, надрезы, цепочки пор и шлаковых включений в продольном заводском сварном шве, задиры, царапины и вмятины поверхности металла) [48,95-97]; если повреждение металла стенки трубы было по типу множественного коррозионного трещинообразования, то в зоне очага во время катастрофического "долома" трубы происходит раскрытие глубоких трещин, объединение близко расположенных трещин, вследствие деформации металла, путем растяжения, и, чем дальше находились коррозионные первоначальные трещины от очаговой магистральной трещины, тем более затрудняется их раскрытие; при локальном множественном повреждении металла стенки трубы в зоне очага разрушения насчитываются десятки коррозионных вскрытых трещин и еще большее количество трещин типа "волосовин", которые можно обнаружить, только тщательно очистив поверхность от грязи, окиси и окалины и/или применив специальные методы выявления трещин (порошковый, люминисцентный и тп.);
Влияние внешних и внутренних факторов на стресс-коррозионное разрушение магистральных газопроводов
Грунт представляет собой капиллярно-пористую часто коллоидную систему. Находясь в контакте с твердой фазой почвы и грунта, вода насыщается химическими соединениями, превращаясь в "почвенный электролит" со сложным комплексом ионов и молекул, содержащих микроорганизмы. Сумма веществ, растворенных в воде, составляет ее общую минерализацию от 10 мг/л до 350 г/л. Большая часть соединений находится в грунтовых водах в виде ионов. Некоторые исследователи считают, что значение общей кислотности является достаточным критерием для определения коррозионной активности почв. Однако, возрастание коррозионной активности почв с понижением рН наблюдается только для кислых почв. Такие почвы (гумусовые и болотистые с рН=3-6) не имеют широкого распространения на территории бывшего СССР, так же как и щелочные почвы с рН=7,5-9,5 (щелочные суглинки и щелочные солончаки). Однако, в некоторых районах интенсивного строительства трубопроводов преобладают почвы с рН=4-5 (Западная Сибирь) и рН=7,5-9,0 (Средняя Азия) [22,98]. Для большей части почвенного покрова бывшего СССР характерна нейтральная реакция с рН=6,0-7,5. Содержание в почвах активных ионов (C1",S04") в значительных концентрациях усиливает ее коррозионную активность. Это объясняется разрушающим действием этих анионов на пассивирующие пленки, что приводит к ускорению анодного процесса. Кроме того, высокая концентрация солей при наличии почвенной влаги создает высокую электропроводность среды, что также приводит к ускорению коррозионных процессов.
Влияние солевого состава почвы на скорость коррозии железа особенно заметно в солончаковых почвах Средней Азии, которые характеризуются высоким содержанием ионов СГ и S04". Обычно в таких почвах коррозионные потери металла выше, чем в почвах европейской части России и Западной Сибири, где наиболее распространены торфяники, суглинки, пески. В работе [22] отмечается, что песчаные грунты значительно "засорены" минеральными и органическими веществами: в песчаных грунтах присутствуют ионы C1",S04\ N03".
Концентрация опасных нитрат-ионов в торфяных грунтах заметно выше, чем в суглинистых и песчанных. Торфяные грунты обладают большей коррозионной активностью, чем суглинки и пески.
Не менее важным фактором является влажность почвы, определяющая скорость коррозии металла. Зависимость скорости коррозии от влажности почвы имеет экстремальный характер. С повышением влажности увеличивается электропроводность почвы и возрастает скорость коррозии, так как облегчается доступ активных ионов к корродирующей поверхности, а также ускоряется отвод продуктов реакции. При дальнейшем увеличении влажности скорость коррозии снижается. Это объясняется уменьшением доступа килорода, необходимого для процесса катодной деполяризации.
Воздухопроницаемость почвы влияет на скорость коррозии неоднозначно. В случае протяженных металлических объектов, проходящих через участки почвы с различной воздухопроницаемостью (таких, как трубопроводы), на границе этих участков, например, глинистого и песчаного, возникает макропара аэрации. Такие же коррозионные макропары возникают при укладке соединенных между собой частей конструкции на различную глубину, например, верх и низ трубы большого диаметра. В этом случае часть конструкции, находящаяся в хорошо аэрируемом грунте (песке), является катодом, а коррозия металла происходит в основном на анодном участке, находящемся в плохо аэрируемом грунте (глине). Вследствие работы макропары происходит не только перераспределение коррозионных потерь, но и общее увеличение коррозионных потерь в 1,5 раза [50,101].
Электросопротивление почвы часто выдвигается как основной критерий для оценки коррозионной активности почв. В работе [22] приводится характеристика коррозионной активности почв в зависимости от величины ее удельного электросопротивления: весьма высокая для почвы с удельным электросопротивлением до 5 Ом м, повышенная 10-20 Ом м, средняя 20-100 Ом м и низкая коррозионная активность 200 Ом м.
Наиболее часто встречаемые показатели электрического сопротивления для песчаных грунтов состовляют от 100 Ом м и более, для суглинистых грунтов от 25 до 250 Ом м, для торфянистых от 5 до 500 Ом м. Однако, попытка однозначно оценить коррозионную активность почвы по величине ее удельного электросопротивления может привести к ошибочным результатам, так как электросопротивление является функцией только некоторых факторов, определяющих скорость коррозии металла в почве (таких как влажность и химический состав) и не учитывает другие факторы (такие как температура, воздухопроницаемость, рН и прочие).
Методика коррозионно-механических испытаний сталей (SSRT-испытания)
Для поляризационных измерений применяли малогабаритный потенциостат-гальваностат фирмы НИПРОМ (Россия), обеспечивающий в автоматическом режиме компенсацию IR-погрешности, обусловленной омическим падением напряжения в слое раствора между рабочим электродом и кончиком капилляра Габера-Луггина. Принцип компенсации IR-погрешности основан на кратковременном прерывании поляризации с одновременным анализом зависимости потенциала от времени. На его основе проводится необходимая коррекция значения задаваемого потенциала. Потенциостат обеспечивает поддержание заданного потенциала рабочего электрода (образца) в диапазоне от -2 до +2 В независимо от изменений, происходящих в электрохимической ячейке.
Заданный потенциал рабочего электрода поддерживается путем изменения величины тока поляризации. Технические характеристики потенциостата: - максимальное выходное напряжение, В -(+)27; -диапазон потенциостатирования, В -(+) 2; - максимальный выходной ток, мА -(+)200; - разрядность аналого-цифрового преобразователя, бит 12; - время отработки сигнала прямоугольной формы (на активной нагрузки), мкс Функционирование потенциостата поддерживается программой, работающей в операционной программе MS-DOS. Интерфейс программы позволяет рассматривать следующие режимы поляризации рабочего электрода: - потенциостатический (ПОТЕНЦИОСТАТ) - на рабочем электроде поддерживается заданное значение потенциала, регистрируется установление тока во времени; гальваностатический (ГАЛЬВАНОСТАТ) - на рабочем электроде осуществляется линейная развертка от времени от заданных значений постоянным заданным значением тока, регистрируется установление потенциала во времени; - гальванодинамический (ГАЛЬВАНОСКАН) - на рабочем электроде осуществляется линейная развертка во времени заданных значений от і0 до і і с разной скоростью развертки от Vi до v2 мВ/с; - потенциодинамический (ПОТЕНЦИОСКАН) - на рабочем электроде осуществляется линейная развертка во времени привязывание рабочему электроду потенциала, линейно измеряющегося от времени от заданных значений потенциалов Е0 и Ei с заданной скоростью v2. Программа позволяет визуализировать на экране монитора получаемые экспериментальные данные в реальном масштабе времени в виде графиков "ток-время", "потенциал-время", "ток-потенциал" и "потенциал-ток", сохранять полученные данные в виде файлов в формате ASCCI на магнитных носителях информации (НЕ), FD, CD), считывать указанные файлы с целью воспроизведения ранее полученных экспериментальных данных. Опыты проводили в электрохимической ячейке с трехэлектродной схемой. Она состоит из рабочего электрода 1, электрода сравнения 2, по отношению к которому измеряется потенциал рабочего электрода, и вспомогательного электрода 3, образующего с рабочим электродом электрическую цепь, через которую проходит ток поляризации. В качестве электрода сравнения использовали хлорсеребряный насыщенный электрод. В качестве вспомогательного электрода использовали платиновую спираль. Электрохимическое поведение исследуемых сталей изучали по поляризационным потенциодинамическим кривым, снятым с помощью потенциостата. Кривые снимали со скоростью развертки 0,5 мВ/с. Фракционный анализ водорода в пробах аварийных труб и образцах, разрушенных в SSRT-испытаниях, проводили термодесорбционным фракционным методом. Применительно к задачам экспертных исследований существующие методы анализа водорода классифицируют как определяющие валовое содержание водорода и определяющие водород по фракциям (фракционный анализ). Первая группа методов включает методы вакуум-нагрева, вакуум-плавления, восстановительного плавления. Основной их недостаток применительно к экспертным анализам следующий: большой разброс значений, отсутствие разделения внешних и внутренних форм водорода.
Поскольку металлургический фон может быть очень высоким (до 10 ррт), возникают трудности в выделении из валового содержания поглощенного извне водорода. Фракционный анализ проводят по различным схемам: эвдиометр + вакуум-плавление, вакуум-нагрев + вакуум-плавление, термодесорбционный анализ (до 200 С, до 400 С и до 600С) + вакуум-плавление[91]. Благодаря тому, что фракционный анализ определяет соотношение разных форм водорода, одна или несколько из которых в металлургическом фоне может отсутствовать, создается возможность установить факт эксплуатационного наводороживания. Одновременно имеется возможность идентифицировать формы водорода, которые инициировали разрушение. В совокупности с другими методами исследований фракционный анализ дает возможность идентифицировать механизмы инициируемых водородом разрушений. Принцип диагностики заключается в сравнении фракционного состава и концентраций водорода в длительно эксплуатируемом металле и исходном, не бывшем в эксплуатации. Последний в строгом смысле всегда отсутствует. Поэтому в качестве сравнительных проб вырезали пробы из слабо нагруженных частей образцов, из не контактирующих с коррозионной средой областей трубы и т.п. Кроме того использовали "Базу данных по фракционному распределению водорода в конструкционных сталях", созданную в лаборатории водородоустойчивости ЦНИИЧермет. Ее основной массив составляют трубные стали.
Изучение парциальных электрохимических реакций на поверхности трубных сталей разных способов производства
Метод поляризации от внешнего источника тока широко используется в области фундаментальных исследованиях и экспертных работах для установления парциальной электрохимической реакции, контролирующей коррозионное растрескивание под напряжением в различных системах "коррозионная среда-металл"[ 15,86,104]. Поляризация от внешнего источника ускоряет в зависимости от знака поляризации либо анодные, либо катодные процессы, протекающие на гетерогенной поверхности стали, рассматриваемой как многоэлектродная система. При достижении достаточно большой плотности тока поляризации данного знака происходит полное прекращение парциальных электрохимических процессов противоположного знака. Если последние являются контролирующими процесс разрушения при коррозионном растрескивании под напряжением, то должен быть подавлен общий процесс разрушения. Таким образом, в соответствии с методом поляризации от внешнего источника тока об определяющей механизм коррозионного растрескивания под напряжением электрохимической парциальной реакции можно судить по изменению чувствительности стали к растрескиванию в зависимости от знака поляризации.
При использовании метода поляризации обычно принимают, что коррозионное растрескивание под напряжением может развиваться по двум чувствительным к внешнему потенциалу механизмам: по механизму активного анодного растворения металла в вершине трещины или по механизму инициируемого водородом охрупчивания. Не исключаются иные физико химические процессы, контролирующие растрескивание, но нечувствительные к внешней поляризации.
Определяющей механизм растрескивания реакцией считают активное анодное растворение, если анодная поляризация ускоряет растрескивание, а катодная поляризация действует противоположным образом: замедляет и, при достаточно больших плотностях катодного тока прекращает его. Тест основан на анализе влияния внешней поляризации на анодную реакцию Fe - 2е Fe2+. Анодные потенциалы ускоряют ее, катодные - тормозят до полного прекращения.
Определяющей механизм коррозионного растрескивания под напряжением можно считать восстановление водорода на поверхности металла НҐ + е Н , если катодные потенциалы будут ускорять разрушение и ухудшать механические (прежде всего пластические) свойства. При этом анодная поляризация от внешнего источника тока, тормозящая восстановление водорода, должна тормозить и растрескивание или слабо влиять на него по сравнению с испытаниями в отсутствие внешней поляризации. Тест на инициируемое водородом разрушение основан на анализе влияния поляризации на сопряженную с анодной катодную реакцию восстановления водорода. Хотя катодные потенциалы способствуют ускорению обеих катодных реакций:
Атомарный водород может диффундировать в сталь или молизоваться, образуя газовую фазу. В результате поглощения сталью водорода может происходить наводороживание и охрупчивание стали. Анодная поляризация от внешнего источника должна тормозить реакцию восстановления водорода и, соответственно, должна способствовать росту долговечности. Механические свойства должны сохраняться на исходном уровне (если растворение не очень сильное и существенно не уменьшает рабочее сечение образца).
При установлении определяющей механизм реакции учитывали возможность анодного наводороживания стали [87,106]. Оно возможно при анодной поляризации стали в тесте на механизм "активное анодное растворение", если сталь в испытательной коррозионной среде подвержена питтингованию. В результате сильного подкисления среды и наводороживания металла в полости питтинга за ускорение растрескивания под действием анодной поляризации может отвечать не ускорение анодной реакции растворения железа, а анодное наводороживание стали. Поэтому в опытах по установлению электрохимического механизма стресс-коррозии помимо SSRT-испытаний предусматривали анализ водорода в разрушенных при разной поляризации образцах.
Пробы для фракционного анализа водорода отбирали непосредственно от излома и на расстоянии 5 мм от него. Длина проб составляла 4-6 мм.
Результаты испытаний образцов феррито-перлитных сталей №2 и №8 (табл. 2.1 и 2.2) двух способов производства (нормализация и контролируемая прокатка соответственно) при внешней поляризации разного знака и при естественном стационарном потенциале свободной коррозии представлены в табл.3.5.
В виде графических зависимостей результаты исследований обобщены на рис. 3.15. По оси абцисс отложены значения плотности токов поляризации, по оси ординат - показатели стойкости против растрескивания. Как видно из рис. 3.15, склонность обеих феррито-перлитных сталей к стресс-коррозии при потенциале свободной коррозии и в условиях естественной аэрации невелика: и деформационный Pv и временной рт показатели влияния коррозионной среды на стойкость к стресс-коррозии близки к единице, т.е. образцы при потенциале свободной коррозии разрушаются почти как на воздухе. Диаграммы растяжения на воздухе и в грунте при отсутствии поляризации от внешнего источника тока подобны и почти сливаются (рис. 3.16 и 3.17).
