Межкристаллитная коррозия аустенитных нержавеющих сталей
По характеру и механизму повреждения материала к разновидности межкристаллитной коррозии следует отнести и ножевую коррозию - разрушение околошовной зоны, граничащей со сварным швом элементов конструкций из аустенитных хромоникелевых и других высоколегированных сталей. По внешнему виду контуры межкристаллитного разрушения напоминают надрез острым ножом. Ножевая коррозия с большой скоростью распространяется в глубь металла и существенным образом зависит от технологии сварки.
Рис. 5.91. Межкристаллитная коррозия стали 12Х18Н10Т со стороны внутренней поверхности бесшовной трубы 0108x6 мм на удалении (а) и вблизи (б) зоны разрыва трубопровода гидрогенизата установки «Пироконденсат», х 200
Склонность к межкристаллитной коррозии определяется в соответствии с ГОСТ 6032-72.
Химическое и нефтехимическое оборудование из нержавеющих сталей часто подвергается межкристаллитной коррозии. Особенно интенсивно она протекает в элементах оборудования, подвергнутых пластической деформации: эллиптических и сферических днищах, отводах, коленах, сварных соединениях и т.д.
Довольно часто межкристаллитная коррозия в нержавеющих сталях типа Х18Н10 возникает в змеевиках трубчатых печей, используемых для подогрева продуктов каталитического крекинга нефти. Змеевики омываются топочными газами с температурой до 1200°С в радиационной части и до 700°С - в конвекционной.
В качестве топлива в печи используются углеводородные газы с содержанием 1,2-4,5% S [209]. В дымовых газах наряду с СО и N0 содержится S03 до 1426 мг/м3.Анализ причин возникновения межкристаллитной коррозии показывает [209], что ее появление связано с воздействием сернокислотной среды, возникающей при пуске и остановке печи. Частые перебои в сырье, обусловливая увеличение частоты остановок и пуска печей, способствуют развитию межкристаллитной коррозии. Серный ангидрид, соединяясь с парами воды, образует серную кислоту, оседающую на трубах в виде гигроскопичных сульфатов.
По данным [209], в сварном соединении змеевика (диаметром 219 мм и толщиной стенки 10 мм) радиационной части печи после 2520 ч эксплуатации обнаружен пропуск среды в печное пространство. В осадке на змеевике содержание S042- достигало 22,12%. После снятия усиления монтажного сварного шва сетка трещин видна по всей поверхности наплавленного металла. При этом раскрытие трещин не превышало 0,3 мм, а длина 1,5-3 мм. Глубина сплошной межкристаллитной коррозии на внутренней поверхности основного металла змеевика конвенционной печи достигала 1,1-1,3 мм.
Межкристаллитная коррозия опасна тем, что при наличии остаточных сварочных напряжений и термических циклов пуска-останова происходит ее перерастание в коррозионное растрескивание под напряжением.
Причину межкристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей связывают с образованием зернограничных выделений карбидов, обогащенных хромом. При высоких температурах нержавеющие стали классического состава (18% Сг, 9% Ni) способны растворять большое количество элементов внедрения (С и N). Однако Ниже 900°С растворимость этих элементов резко снижается. При традиционной обработке стали на твердый раствор в ней после закалки
Рис. 5.92. Выделение карбидов хрома Сг23С6 по границам зерен и субзерен в стали 08Х18Н10Т после нагрева при 650°С, 100 ч. ПЭМ х 16000
содержится в пересыщенном твердом растворе значительное количество углерода и азота.
В результате последующего термического воз действия при 450-700°С на границе зерен образуются обогащенные хромом выделения М23С6 (рис. 5.92). В этих условиях участки зерен, примыкающие к зернограничным выделениям, оказываются обед- ненными хромом и в определенных водных растворах склонны к рас творению.В трубах пароперегревателей из аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т с температурой пара 570°С в результате перегрева вне шней поверхности происходит перераспределение хрома [210]. В этих участках образуются высокохромистые карбиды с одновременным обеднением хромом приграничного объема зерен менее 12%, вызывая окисление стали. В итоге резко снижается прочность стенки трубы на макроучастке и наступает межзеренное разрушение, начинающееся от поверхности нагрева.
Наиболее опасны температуры 500-550°С, при которых нержа веющая сталь типа Х18Н10Т независимо от химического состава и температуры закалки приобретает склонность к межкристаллитной коррозии (сенсибилизируется). В сенсибилизированной стали в период остановок на аппаратах гидроочистки особенно заметно проявляет ся межкристаллитная коррозия.
В [211 ] предложена простая схема образования питтинговой ямки (углубления) на стали. Скорость окисления на обнаженной поверхноо ти металла может быть на несколько порядков величины больше, чем на поверхности, покрытой защитной пассивирующей пленкой. При
некоторых условиях содержание кислорода в растворе внутри ямки сильно понижено под действием катодной реакции. Из-за этого увеличение концентрации металлических ионов в растворе не балансируется увеличением концентрации ОН- по реакции
2Н20 + 02 + 4е -» 40Н",
и в растворе сохраняется избыточный положительный заряд.
Особенно интенсивно влияют на склонность к избирательному коррозионному воздействию с образованием питтинга хлоридные ионы. Хлориды металла гидролизуют воду, приводя к уменьшению pH раствора:
М"С1- + н2о — М ОН- + Н+ + С1'.
Пониженное pH и повышенная активность хлоридного иона в растворе внутри углубления (ямки) вызывают дальнейший рост скорости окисления металла.
Этот рост вызывает дальнейшее усиление притока хлоридных ионов внутрь ямки , и процесс становится автока- талитичеким.Периодическими обследованиями с применением УЗ-контро- ля установлено [212], что в четырех сварных емкостях объемом 40 м3 из стали Х18Н9 для хранения соединений азотной кислоты наибольшая степень межкристаллитной коррозии выявляется в стыках продольных и кольцевых швов. Эта коррозия развивается только в зоне контакта металла с парогазовой фазой рабочего продукта. Ножевая и язвенная коррозии существуют в металле, контактирующем как с паровой, так и с жидкими фазами рабочего продукта. При этом наиболее сильный прирост эксплуатационных дефектов наблюдается у емкостей в условиях жаркого климата (рис. 5.93, а). Глубина дефектов возрастает монотонно с практически постоянной скоростью (8-9) • 10 5 м/год для емкостей в умеренном климате и (24-35) • 10"5 м/год в емкостях, эксплуатировавшихся в зоне жаркого климата (рис. 5.93, б).
Для явления коррозионного растрескивания нержавеющих сталей под напряжением в хлоридсодержащей среде характерно развитие разрушения по механизму хрупкого транскристаллитного скола. Такая картина разрушения отмечена [213] при изучении стали 12Х18Н10Т после испытания на коррозионное растрескивание в кипящем 30% -ном водном растворе MgCl2. При снижении уровня растягивающих напряжений с 0,7 до 0,2 о0 2 в изломе значительно возрастает доля фасеток хрупкого транскристаллитного скола с сеткой вторичных трещин. Фасетки скола имеют характерный для металлов с ОЦК решеткой ручьистый узор.
Рис. 5.93. Изменение средних скорости межкристаллитной коррозии (а) и глубины дефектов (б) в емкостях, эксплуатировавшихся в зонах жаркого (о) и умеренного (•) климата
Отличительной особенностью ручьистого узора в металле с ГЦК решеткой является изменение направлений ступенек скола не только на границе зерен, но и во внутренних объемах зерен. На поверхности фасеток возникают зигзаги - уступы ручьистого узора. Это изменение направления ручьистого узора обусловлено пересечением плоскости разрушения малоугловых и двойниковых границ.