<<
>>

Щелочное растрескивание


Щелочное, или каустическое, растрескивание — разновидность коррозионного растрескивания под напряжением в концентрирован ных растворах щелочей при повышенных (45...150°С) температурах. Растрескиванию в щелочных растворах подвержены углеродистые, низколегированные, высоколегированные хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали.
Склонность к щелочному растрескиванию существенным образом зависит от химического состава, структуры, уровня прочности стали, уровня приложенных и внутренних напряжений, концентрации щелочи и температуры эксплуатации.
Полагают [214], что проявление щелочного растрескивания сталей связано с образованием ионов HFeG2. Согласно термодинамическим расчетам [215], сульфиды марганца служат очагами инициирования питтингов, а строчечные сульфиды при определенной ориентации относительно растягивающих напряжений играют роль концентраторов напряжений, облегчающих зарождение коррозионной трещины.
Подкисление воды, происходящее при кислотных промывках котлов ТЭС, плохой их консервации, простоях может оказаться причиной возникновения язв из-за потери пассивности низколегированных сталей. Анализ экспериментальных данных указывает на возможность до 350°С коррозионного растрескивания сталей в результате образования ионов HFe02 на межзеренных границах при общей пассивности кристаллитов. Коррозионное растрескивание углеродистых и низколегированных сталей в воде с высоким pH ограничено областью стабильных ионов HFe02, существующих наряду с оксидными соединениями.
Для щелочного растрескивания свойственна склонность к ветвлению трещин, межкристаллитный характер распространения трещины и отсутствие следов пластической деформации вдоль траектории трещины. По данным [216] обследования 600 аппаратов, выполненных из углеродистых и низколегированных сталей типа 16ГС и 09Г2С и эксплуатируемых в щелочных средах, растрескивание происходит в области температур выше 50 °С и концентрации NaOH 10% и выше. Среди аппаратов, эксплуатируемых при температурах выше 50 °С и концентрации щелочи выше 10%, доля испытавших трещинообразо- вание аппаратов достигает 17%.
Согласно [217], растрескиванию подвергаются разные виды аппаратов и оборудования: колонны, хранилища, отстойники, сепараторы, теплообменники, ребойлеры, смесители и т.д., в технологической среде которых (по температурным условиям и давлению) может присутствовать вода. Давление в обследованных аппаратах не оказывает заметного влияния на склонность к растрескиванию. Это растрескивание наблюдается в аппаратах с давлением от 0,1 до 2,5 МПа и более. Срок службы этих аппаратов и оборудования до возникновения трещин варьировался от 6 мес до 15 лет. Большая часть возникших трещин выявляется в самом сварном шве или околошовной зоне. Последнее предполагает значительную роль внутренних остаточных сварочных напряжений в явлении щелочного растрескивания.

Рис. 5.94. Зависимость растрескивания углеродистых и низколегированных сталей от температуры и концентрации щелочи [216]. Заштрихована область склонности к растрескиванию
На рис. 5.94 представлена область растрескивания углеродистых и низколегированных сталей в координатах температура эксплуатации и концентрации щелочи [216].
Растрескивание в определенных условиях среды наблюдается до 150°С. Для выявленных случаев растрескивания характерно отсутствие заметного изменения механических свойств в зоне разрушения. В ряде случаев условия для щелочного растрескивания возникали в результате несоблюдения технологического режима, наличия застойных зон, где скапливалась выделяющаяся из нефтепродуктов водная фаза слабощелочного состава. При повышенных температурах вследствие упаривания воды возникает возможность образования щелочного раствора с концентрацией, при которой развивается щелочное растрескивание (по другому - щелочная хрупкость).
В литературе [217] имеются противоречивые сведения о природе щелочного растрескивания. Водородный механизм растрескивания связывают с выделением водорода в концентрированных щелочных растворах при повышенных температурах. Действие анодного механизма растрескивания обусловлено разным воздействием щелочи на тело и границы зерен. Результат - избирательное разрушение границ зерен, приводящее к межкристаллитному характеру распространения трещин по стали.
С целью изучения причины щелочного растрескивания проведено исследование фрагментов конструкций двух декомпозеров ОАО «Богословский алюминиевый завод». Декомпозер представляет металлическую сварную емкость, состоящую из цилиндрической и конической частей. Высота декомпозера 34,7 м, внутренний диаметр 9 м. Толщина стенки в зависимости от сечени# составляет 8-18 мм.

Объем декомпозера 1800 м3. Рабочая среда: раствор алюмината натрия с концентрацией 130-150 г/л (в пересчете на оксид натрия). Температура рабочей среды 45-65 °С. Декомпозеры расположены в неотапливаемом помещении.
В результате контакта корпуса декомпозера с щелочной средой происходит растрескивание стали, приводящее к течам и серьезным авариям. Результаты статистической обработки отказов декомпозе- ров показали, что подавляющее число трещин (97,4%) возникает в сварных соединениях, преимущественно в кольцевых швах (67,4%). Математическое ожидание времени безотказной работы (время до первого ремонта) составило всего 47 мес при среднем квадратичном отклонении 12,85 мес. После ремонта время до следующего растрескивания резко сокращается: 11,6 и 10,7 мес после первого и второго ремонтов соответственно.
Для исследования были взяты три фрагмента. Два фрагмента (с маркировками А и Б) были вырезаны из построенного в 1960-х годах декомпозера, эксплуатировавшегося 10 лет и подвергавшегося систематическому трещинообразованию, ремонту и вследствие не- прекращающихся протечек выведенного из эксплуатации в 1984 г. Третий фрагмент (с маркировкой В) вырезан из декомпозера в месте, отстоящего на 6 м от его верхнего обреза. В этом случае трещины начали развиваться от сварных швов, которыми были приварены скобы для монтажных люлек.
В фрагментах А и В, содержащих сварные швы, трещины распространялись преимущественно вдоль сварных швов на расстоянии 1-6 мм от линии сплавления. В сечениях, где трещины были сквозными, растрескивание происходило по хрупкому механизму без следов пластической деформации. Все три фрагмента изготовлены из углеродистой стали СтЗсп, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 380-88. Химический состав наплавленного металла идентичен основному металлу. Основной металл оболочек всех трех фрагментов декомпозеров имеет феррито-перлитную структуру, свойственную листовому прокату стали СтЗсп в горячекатаном состоянии. Каких-либо аномалий структуры в околошовной зоне сварных соединений, где предпочтительно располагаются траектории трещин, не обнаружено.
Металлографический анализ структуры в зоне трещинообразования показывает, что трещины, как правило, имеют межзеренный характер, ветвятся, и зарождение их связано с порами и другими дефектами сварного шва (рис. 5.95, а). Нередко ветвление трещин даже в основном металле происходит под большим углом к основной трещине (рис. 5.95, б). Вершины трещин тонкие, практически не имеют

Рис. 5.95. Структура стали СтЗсп в стенке декомпозера в зоне сварного шва (а - х 70) и основного металла (б - х 200)


раскрытия. Наличие лидирующих микротрещин у вершины макротрещин предполагает, что растрескивание осуществляется зарождением лидирующих микротрещин в зоне концентрации напряжений перед фронтом магистральной трещины и последующим слиянием с ней. Подобная ситуация наблюдается как в основном металле, так и в металле сварного шва. Строение изломов подтверждает предпочтительно межзеренный характер разрушения (рис. 5.96). Видны также микротрещины, уходящие в глубь металла.
Механические свойства при статическом растяжении на стандартных образцах с диаметром рабочей части 5 мм для всех трех фрагментов декомпозеров приведены в табл. 5.15. Видно, что предел текучести стали фрагментов Б и В ниже значений, регламентируемых ГОСТ 380- 88 (71) для СтЗсп на 5 и 25 МПа. Эти свойства стали указывают, что нет


Рис. 5.96. Фрактограмма излома в околошовной зоне фрагмента В (см. табл. 5.15) декомпозера JM" 2. СЭМ. х 1600



оснований связывать растрескивание стали с повышенным уровнем прочности материала. Максимальное значение твердости в сварном шве декомпозера достигает HV 151, что всего лишь на 24% превышает уровень твердости основного металла. Среднее значение твердости основного металла HV 121 ± 7.
Таблица 5.15. Механические свойства стали декомпозеров

Сталь

ов, МПа

от, МПа

65,%

•ф,%

Фрагмента А

410

255

37,1

68,6

Фрагмента Б

410

245

38,9

69,7

Фрагмента В

410

225

37,8

64,0

СтЗсп по ГОСТ 380-88

380 - 490

250

gt; 26

-
Сериальные кривые ударной вязкости и доли волокна в зависимости от температуры испытания основного металла трех фрагментов декомпозера приведены на рис. 5.97. Критические температуры хрупкости Ть0 для фрагментов А, Б и В составляют -7, -33, -5°С соответственно. Это указывает на высокое сопротивление сталей хрупкому разрушению, используемых на изготовление декомпозеров. При температурах испытания вплоть до -40°С KCU 2= 49 Дж/см2. Таким образом, для основного металла всех трех фрагментов декомпозера выполняется требование ГОСТ 380-88 (71) к листовому прокату категории 5 качества в соответствующих толщинах по величине ударной вязкости при температуре испытания -20°С.
Рис. 5.97. Сериальные кривые ударной вязкости KCU(a) и доли волокна в изломе (б) в зависимости от температуры испытания поперечных образцов, вырезанных из фрагментов А, Б и В декомпозеров 1 и 2

С целью изучения механизма распространения трещины проведен фрактографический анализ хрупких зон изломов. Результаты этих исследований приведены в табл. 5.16. Изломы получены путем разрушения стандартных ударных образцов в среде жидкого азота. Распространение трещины происходит в основном по телу, частично по границам зерен (рис. 5.98). Из табл. 5.16 следует, что существенного ослабления границ зерен феррита в стали на удалении от трещин не происходит ни в основном металле, ни в металле сварного шва. Доля межзеренного разрушения варьируется от 4,1 до 11%. Эти данные указывают на слабое влияние среды на когезивную прочность границ зерен феррита и колоний перлита в щелочной среде за пределами трещин. Появление межзеренного разрушения, по-видимому, связано с наводороживанием стали в результате протекания электрохимического процесса коррозии непосредственно у вершины трещины.
Таблица 5.16. Результаты фрактографических исследований хрупких изломов образцов декомпозера

Фрагмент
декомпозера

Зона сварного соединения

Доля составляющих излома,%

транскристал- литный скол

ямки

межзеренное
разрушение


Основной металл

89,0

1,9

9,1
/>
Зона сплавления,

93,1

2,0

4,8

А

мелкое зерно Околошовная зона,

94,1

1,8

4,1


крупное зерно Сварной шов

93,3

1,8

4,9

Б

Основной металл

91,0

1,9

7,1


Основной металл

88,8

3,2

8,0

В

Зона сплавления

88,5

0,4

ИД


Долом от трещины*

85,2

0

14,8

* На расстоянии 1,5-2,0 мм от вершины трещины.


Более заметное ослабление когезивной прочности границ зерен наблюдается в окрестности вершины трещины (до 14,8%) в пределах зоны хрупкого разрушения шириной 1,5-2 мм. Обнаруженная степень межзеренной хрупкости значительно меньше (в 3-4 раза), чем это следует по данным металлографического анализа. Наиболее вероятная причина этого несовпадения - иной механизм растрескивания стали в условиях эксплуатации.

Рис. 5.98. Строение хрупких изломов образцов стали СтЗсп, вырезанных из стенки декомпозера А.
ПЭМ. ж 1200
Нельзя также исключить, что некоторое ослабление водородом границ зерен феррита, особенно у вершины трещины, способствует протеканию анодного механизма щелочного растрескивания. Это растрескивание обусловлено частичной пассивацией поверхности и разрушением защитных пленок по границам зерен. Межкристаллитный характер разрушения вызван электрохимической коррозией, интенсифицированной приложенными напряжениями [47, 218]. Особенно интенсивно щелочное растрескивание при высоком уровне растягивающих напряжений, близком к пределу текучести. Механизм разрушения связывают с хемосорбцией ионов ОН на дефектных местах поверхности, образующих межзеренную границу, и снижением поверхностной энергии у вершины трещины. Растрескивание сталей в щелочном растворе наблюдается в определенном диапазоне потенциалов (ф = -900... -500 мВ), соответствующем активно-пассивному переходу стали, и области существования растворимого гипоферрита HFe02, оксидных пленок Fe(OH)2 и Fe304. При значениях потенциала Ф ^ -550 мВ обеспечивается стабильная пассивация железа.
Из результатов анализа термодинамических условий газосо- держания в металле и сохранения степени его пластических свойств после длительной эксплуатации, водородное охрупчивание не может быть определяющим в этих средах (его равновесный потенциал Фн. н = — 880 мВ) [219]. Вследствие электрохимической гетерогенности поверхности и повышенной активности приграничных зон, связанных с концентрацией примесных атомов, концентрацией напряжений и ослаблением защитной пленки, локализованной на границе, процесс электрохимической коррозии вызывает появление микрокор- розионного повреждения. Это повреждение перерастает в трещину в результате совместного влияния электрохимической коррозии и растягивающих напряжений. Адсорбирующиеся в вершине трещины ионы облегчают развитие трещины.
<< | >>
Источник: Горицкий В.М. Диагностика металлов. 2004

Еще по теме Щелочное растрескивание:

  1. Д.Г.Звягинцев, Г.М.Зенова. АКТИНОМИЦЕТЫ ЗАСОЛЕННЫХИ ЩЕЛОЧНЫХ ПОЧВ, 2007
  2. Актиномицеты засоленных и щелочных почв
  3. Хлоридное растрескивание
  4. Актиномцетные комплексы щелочных почв и антропогенных субстратов
  5. Сульфидное растрескивание
  6. Водородное растрескивание
  7. Коррозионное растрескивание под напряжением
  8. Коррозионно-усталостное разрушение (растрескивание)
  9. Влияние состава стали на склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением
  10. Умеренные почвенные алкалофильные актиномицеты
  11. 3.2. Методика эксперимента по определению роли летучих компонентов угля в процессе жидко фазного восстановленияОписание экспериментальной установки.
  12. Алкалофильные актиномицеты - продуцентыферментов и антибиотиков
  13. Деградационные процессы и выявление определяющих параметров технического состояния
  14. Жидкие лекарственные формыдля внутреннего и наружного применения(растворы, суспензии, сиропы, эмульсии)
  15. Специфические условия для роста алкалофильных бактерий
  16. Сероводородные среды
  17. Глазные капли
  18. 5.2.2 Полютанты, свойства
  19. ЦЕМЕНТ ИЗ ОБЖИГОВОЙ ПЫЛИ
  20. 5.5.2. Анодный механизм