Введение к работе
Актуальность темы. Несмотря на то, что эффект водородной хрупкости (ВХ) металлов изучается многие десятилетия, вопросы, касающиеся влияния состояния водорода в металле на повреждаемость, влияния субструктуры стали на ВХ, недостаточно исследованы. Методики оценки влияния водорода разнообразны и часто приводят к противоречивым результатам. ВХ является причиной более сложных явлений, например, сероводородно-коррозионного растрескивания (СКР) трубопроводов и оборудования в газовой промышленности. Опасность разрушений конструкций в связи с проявлениями ВХ металла остается. Трудности заключаются в многообразии эффектов водородного охрупчивания. Актуальна проблема повышения работоспособности сталей и сплавов в среде водорода в связи с интенсивным развитием водородной энергетики. С этих позиций важно установление закономерностей и механизмов ВХ, увеличение стойкости металла против ВХ и СКР. Перспективен кинетический подход в изучении ВХ, развиваемый в работах Л. Мороза, М. Смя-ловского, Р. Кикуты, В.В. Панасюка и других, которые отметили стадийность кинетики водородного охрупчивания стали, причём стадийность связывается с изменением активности водорода в металле. При оценке ВХ Б.А. Колачев, Р.А. Ориани указывают на необходимость учета активности (летучести)водорода.
Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР кафедры общей физики Оренбургского госуниверситета по теме «Разработка количественной теории водородной хрупкости, создание способов диагностики разрушения и повышения долговечности стали в коррозионных средах» (№ гос. per. 01860056219) в соответствии с планами научно-производственных работ РАО «Газпром», направленных на повышение надежности эксплуатации газопромыслового оборудования на месторождениях природного газа, содержащего сероводород, с учётом рекомендаций всесоюзных и международных семинаров (в частности, семинара «Водород в металлах»), международных конференций по водородной безопасности.
Цель работы - установление зависимости уровня повреждаемости стали от кинетических превращений абсорбированного водорода и повышение водородно-коррозионной стойкости металла в сероводородсо-держащих средах за счет оптимизации субструктуры при взрывной и
термической обработке.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
разработка методик определения концентрации различных состояний водорода в металле и оценки изменения механических свойств стали в процессе наводороживания;
установление закономерностей кинетических превращений абсорбированного водорода и влияния состояния водорода на сопротивление стали хрупкому разрушению;
оценка водородной повреждаемости стали на основе исследования зависимости сопротивления хрупкому разрушению от концентрации различных состояний абсорбированного водорода;
разработка комплексной технологии взрывного упрочнения и термической обработки стали (ВЗТО) на основе исследования влияния режимов обработки на структуру и коррозионно-механические свойства стали;
промышленное внедрение результатов работы.
Объект исследования - трубные малоуглеродистые и низколегированные конструкционные стали.
Предмет исследования - субструктура стали.
Методы исследования: экспериментальные методы металлофизиче-ских, физико-химических, механических исследований и статистическая обработка результатов.
Научная новизна работы
-
экспериментально доказано, что стадийность кинетики водородного охрупчивания стали обусловлена кинетическим превращением абсорбированного диффузионно-подвижного водорода (ДПВ) в молизован-ное состояние;
-
выявлено, что для каждой стали имеется своя линейная зависимость уровня повреждаемости (относительного снижения сопротивления отрыву) от концентрации ДПВ;
-
предложен способ оценки склонности стали к ВХ по модифицированному уровню повреждаемости (отнесенному к нулевому значению концентрации ДПВ);
-
установлено, что комбинированная взрывная и термическая обработка формирует упорядоченную двухступенчатую ячеисто-полигональную субструктуру феррита и обеспечивает дисперсное перераспределение сорбита отпуска, что в два-три раза повышает стойкость
против водородного растрескивания и коррозионную устойчивость конструкционных сталей.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1) предложенный параметр водородной повреждаемости стали по
зволяет:
оценить водородостойкость;
проводить экспресс-оценку критического (порогового) напряжения сероводородного растрескивания;
2) разработана комплексная технология взрывного упрочнения и
термической обработки стали (ВЗТО), внедрённая в производстве круп
ногабаритных трубных переходов и повышающая в 2-3 раза водородно-
коррозионную стойкость сталей.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием металлографического метода исследований с применением оптической микроскопии (микроскоп МИМ8), просвечивающей (ЭМВ - 100ЛМ) и сканирующей (JSM-50) электронной микроскопии. Для электрохимических измерений был использован потенциостат П5827М. Использовался рентгеновский дифрактометр ДРОН УМ 1. Концентрация водорода в металле определялась на установке Itnac DO-ОІфирмьі Adamele. Испытания на отрыв наводороженных образцов были выполнены на машине FM-500. Коррозионно-механические испытания образцов на длительную прочность и ползучесть выполнены на рычажных установках. Статистическая обработка экспериментальных данных производилась методом линейного корреляционно - регрессионного анализа с использованием программ Microsoft Exel и Mathcad.
На защиту выносятся:
-
закономерность кинетических превращений водорода при электрохимическом наводороживании стали;
-
закономерность влияния концентрации диффузионно-подвижного водорода на повреждаемость;
-
способ оценки сталей по параметру водородной повреждаемости;
-
способ оптимизации субструктуры сталей для изделий, контактирующих с сероводородсодержащими средами.
Реализация результатов работы. Способ субструктурного упрочнения стали ВЗТО был внедрен на Оренбургском газоперерабатывающем заводе и в 1984... 1991 г.г. использовался при производстве крупногабаритных трубных переходов взрывным обжатием трубчатых заготовок,
которые применяются до настоящего времени.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV всесоюзном семинаре «Водород в металлах» (Москва, 1984 г.); на XIV международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 1985 г.); на VII всесоюзной конференции «Сварка, резка и обработка материалов взрывом» (Киев, 1990 г.); на VIII всесоюзной научно-технической конференции «Сварка, резка и обработка взрывом металлоконструкций» (Минск, 1990 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Социокультурная динамика региона. Наука. Культура. Образование» (Оренбург, 2000 г.); на симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва, 2001 г.); на II международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006 г.); на V международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2008 г.); на третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009 г).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, получено авторское свидетельство.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 122 наименований и 3 приложений, изложена на 113 страницах машинописного текста, включая 20 рисунков и 10 таблиц.
