Введение к работе
Актуальность. Проблема наводороживания металлов и сплавов,
их охрупчивания и разрушения является весьма актуальной для самых
разных отраслей промышленности (термоядерная, энергетическая,
авиационная, химическая, гаэо-нефте-перераСатывающая и др.). Воп
росам борьбы с этими нежелательными явлениями посвящены многие
сотни работ. Сформулированы основные направления защиты стали от
наводороживания, среди которых важное место занимает использова
ние для этих целей покрытий различной природы. В настоящее время*
установлено заметное положительное влияние диффузионных, электро
литических, композиционных, химически осажденных и других покры
тий на стойкость сталей против водородного охрупчивания при раз
личных температурах.
Для разработки эффективных мер предотвращения наводороживания, научно обоснованного выбора типа водородоэащитного покрытия, оценки его эффективности и прогнозирования защитных свойств в различных условиях эксплуатации необходимо располагать информацией, характеризующей степень торможения скорости наводороживания стали. К такой информации, в первую очередь, относятся параметры зодородопроницаемости: величина потока, коэффициенты диффузии водорода в покрытии и основе, его граничные концентрации и др.
К сожалению, в настоящее время имеется крайне ограниченное количество этих данных. Так, количественные результаты измерения водородопроницаемости получены различными методами, трудносравнимы и относятся, в основном, к высоким температурам. Для многих типов покрытий (ионно-плазменные, многокомпонентные и др.) эти данные вообще отсутствуют. Сведения о влиянии покрытий разной природы на охрупчивание и разрушение стали отрывочны, бессистемны и противоречивы. Это же относится и к изучению поведения стали с покрытиями в условиях развития водородного растрескивания (ВР) и сероводородного коррозионного растрескивания под напряжением (СКРН) в средах, содержащих сероводород. Недостаточно изучено влияние покрытий на характер разрушения поверхностных зон и сердцевины, характер возникновения и распространения трещин.
Ограниченность этой информации не позволяет выработать надежные и обоснованные рекомендации использования, покрытий той или иной природы, состава и структуры для эффективной защиты стали от наводороживания, охрупчивания и разрушения. Это особенно важно
- 4 -для нефтеперерабатывающей и газовой промышленности, где разнообразные детали и конструкции часто эксплуатируются- в средах с повышенным содержанием сероводорода, который инициирует наводорожи-вание, нередко приводя к преждевременному неконтролируемому разрушению деталей даже при отсутствии- внешнего нагружения.
Лель работы - систематическое, с использованием единых методик, изучение влияния состава и структуры покрытий различной природы на их водородопроницаемость и способность защищать сталь от 'наводороживания, охрупчивания и разрушения в корроэионноактивных средах. При этом конечная цель - . разработка научно обоснованных рекомендаций использования защитных покрыт;": различной природы для повышения стойкости и надежности деталей машин и аппарате;:, подверженных наводороживанию в процессе эксплуатации.
В сеязи с этим в работе решали следующие задачи:
-
Экспериментальным и. расчетным путем определить основные параметры водородопроницаемости етапи с покрытиями различной природы (диффузионные, ионно-плазменные, гальванические).
-
Установить связь между фазовым и химическим составом покрытий ,- их структурой с параметрами водородопроницаемости.
3. Изучить влияние покрытий на наводороживание, охрупчивание
. и-разрушение стали в условиях развития ВР и СКРН.
4.- Изучить коррозионную стойкость стали с покрытиями в серо-
.водородсодержаших и других активных средах и оценить трещиностой-
кость покрытий. ,
' 5. расчетным путем провести оценку эффективности использования защитных- свойств покрытий-различного типа против наводороживания . охрупчиванияи стали при .заданных условиях эксплуатации и выработать рекомендации для промышленности.
Научная новизна. Впервые с использованием единой методики Определены значения коэффициентов диффузии и граничных концентраций водорода для диффузионных однокомпонентних (Сг, В, А1) и многокомпонентных (В-Сг, В-А1, В-Сг-АІ, В-Сг-Мо, B-Cr-Ni и В-Сг-Мп), а такжа ионноплазменных покрытий (ТІ, N1, А1 и TIN) на стали.
Установлено, что 'все три вида однокомпонентного насыщения (хромирование, алитирование и борирование) приводят к существенному (на порядки) уменьшении наводороживания стали, 'что связано как с низкими значениями коэффициента диффузии водорода в слоях, так и с уменьшением его растворимости. Пс сумме показателей водо- . родопроницаемости в порядке уменьшения защитных свойств указанные
- 5 -покрытия могут Сыть выстроены в следуклуш ряд: хромированный слой карбидной природы (СггзСб). борированный однофазный (Fe2B) слой и слой альфа-твердого раствора в железе при молярной доле алюминия а слое 15-20 Т..
Впервые установлено, что однофазные (Fe2B) боридные слои существенно лучше противостоят наводорожнванию, чем сложные по сос-. таву боридные слои типа FeB+Fe2B. Совместно» насыщение борон, и хромом более активно защищает-сталь от проникновения водорода, чем "чистое" борирование.- Дальнейшее усложнение природы борохро-мированных слоев путем использования трехкомпонентного насыщения с участием Mo, 'А1, N1 и Мп приводит к снижению их защитной способности.
Впервые показано, что все изучекньэ виды однокомпонентних и многокомпонентных диффузионных покрытий существенно повышают стойкость стали против водородного растрескивания (ВР) в сероводородных средах (значения CLR снижаются в, 2-7 раз). Изменяется характер разрешения, отсутствуют продольные трещины, расслоения, пузыри и вздутия.
Установлено, что диффузионные многокомпонентные .покрытия на базе бора не являются защитными в условиях развития СКРН. Во Есех случаях в покрытиях систем Fe-C-8-Me и Fe-C-3-Mel-Ue2 наблюдается сильное коррозионное поражение, полное разрушение покрытия, большое количество трещин и хрупкий излом.
Практическая ценность. Установленные значения параметров во-дородолроницаемостн покрытий различной природы позволяют рассчитывать их эффективность как средств защиты стали от наводорожива-ння, охрупчиеання и разрушения в конкретных условиях эксплуатации. Построен алгоритм и отработана программа для проведения таких расчетов на ПЭЕМ. Проведены"расчеты времени эксплуатации ряда сталей с покрытиями з агрессивных средах, не приводящего к предельному наводорожнванию и охрупчиванию.
Определены группы покрытий, использование которых дает максимальный эффект- в тех или иных условиях эксплуатации и выработаны соответствующие рекомендации. Так, для изделий, подвергающихся насыщению водородом и внеіним нагрузкам, наиболее целесообразным является использование диффузионного хромирования с получением слоев карбидной природы. Для менее нагруженных деталей допустимо использование покрытий на базе алюминия твердорастворной природы. В этих условиях эксплуатации использование однокомпонентних или
многокомпонентных покрытий на базе бора недопустимо. Для изделий,, работающих в . активной среде и условиях интенсивного износа может быть рекомендовано борохромированке. Для изделий, не испытывающее внешних нагрузок, могут использовать^я все гвди диффузионной об-. работки, включая и многокомпонентное насыщение.
Результаты- исследований были также использованы при разра
ботке нового днухстадийнаго (осаждение и скоростной отжиг) техно--
. логического,процесса получения покрытий на деталях при ремонте элементов. газопромыслового оборудования в условиях ГП "Орекбург-гаэдобыча".
Апробация работы. Результаты работы представлены и обсуждены на IV Международной конференции "Коррозия - 93" (Варшава, Польша, 1-4 ».юня 1993 г.) и X Европейском конгрессе по коррозии (Барселона, Испания, 5-8 июля 1993 г.).
Публикации. По результат':;.! выполненных исследований опубликовано три печатных работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глаз,- выводов, списка использованных источников из &5~ наименований, содержит $5 страниц машинописного текста, Sty рисунку и jtyvaC&JH.
