Стресс-коррозия

Это - явление коррозионного растрескивания под напряжением на внешней поверхности трубы под слоем защитной изоляции и при приложении к трубопроводу катодной поляризации - электрохимической защиты.

Практика эксплуатации трубопроводов указывает, что появление колоний трещин стресс-коррозионного происхождения совпадает с участками отслоившейся изоляции. Развитие стресс-коррозии в на-

иболыпей степени выявляется на головных участках трубопровода после компрессорных станций, на местах спусков и подъемов.

Стресс-коррозия как специфический вид коррозионного растрескивания под напряжением был индентифицирован в 1950-х годах. Она наблюдается на магистральных трубопроводах не только в России, но и в США, Канаде, Германии и других странах.

Несмотря на обширные исследования, до настоящего времени мнения [204, 205] о природе стресс-коррозии противоречивы. Выделяют два типа (механизма) стресс-коррозии: анодного растворения металла и инициируемого водородом коррозионного растрескивания.

Локализацию анодного растворения металла связывают с двумя факторами: снижением потенциала растворения и (или) локальным нарушением пассивности стали под действием концентрации напряжений; разупрочнением объемов металла вблизи вершины трещины под воздействием коррозионно-активной среды, приводящей к преимущественному растворению участков с повышенной концентрацией дефектов (линии сдвига, межфазные границы и т.д.) [205].

Водородный механизм стресс- коррозии обусловлен разрядом ионов водорода на поверхности стали, внедрением их в металл и дальней

шей диффузией в области с повышенной концентрацией напряжений, в которых при условии достижения критической концентрации водорода происходит зарождение микротрещин.

Характерной особенностью трещинообразования при стресс-коррозии является их преимущественное развитие вдоль образующей трубы, а не в направлении толщины стенки трубы. Кроме того, значительная часть трещин имеет затупленную вершину. Такая форма трещин может возникнуть в результате пластической деформации в окрестности трещины или анодного растворения металла (рис. 5.88). Наблюдаемый изгиб феррито-перлитной строчечности вблизи вершины и траектории трещины указывает на возможность пластической деформации.

Однако в практике исследования шлифов с трещинами стресс-коррозионного происхождения часты случаи, когда впереди вершины трещины наблюдаются лидирующие микротрещины (показана стрелкой на рис. 5.89). (Показан характер трещины в трубе диаметром 1420 с толщиной стенки

16 мм, испытавшей трещинообразование при Рраб = 7 МПа в районе Краснотуринска). Раскрытие таких микротрещин в стали, производимой по технологии контролируемой прокатки, происходит поперек толщины стенки. Последнее предполагает более легкое развитие лидирующих микротрещин в плоскости прокатки. Фрактографический анализ хрупких изломов (табл. 5.14) подтверждает более значительное ослабление когезивной прочности границ зерен стали в плоскости прокатки по сравнению с поперечным направлением, т.е. в направлении роста стресс-коррозионной трещины. С целью получения хрупкого излома пробы стали испытывали на изгиб при -120...—150 °С.

Участок исследуемого трубопровода с защитным покрытием имел катодную защиту с U = -0,95 В. На наружной поверхности трубы общая коррозия выражена в виде тонкой пленки оксидов толщиной - 0,2 мм. Видны также точечные дефекты (питтинг) большой плотности диаметром до 0,4 мм и глубиной до 0,2 мм. На поверхности трещины видны многочисленные трещины, вытянутые вдоль образующей трубы. Из табл. 5.14 видно, что пробы стали 10Г2Т (ТУ 14-3-1512-87) показывают существенное ослабление границ зерен феррита и колоний перлита.

Особенно существенно увеличение доли межзеренного разрушения вдоль плоскостей проката трубного листа по сравнению с поперечным направлением прокатки (см. табл. 5.14) В среднем степень зернограничного ослабления в плоскости прокатки в 1,5—3,5 раза выше, чем поперек стенки трубы. Факт большей степени ослабления границ зерен вдоль плоскости проката согласуется с тенденцией части трещин стресс-коррозии распространяться вдоль ферритно-перлит- ной строчечности, образуя уступы вдоль траектории распространения трещины (стрелка на рис. 5.89). Вторым фактором, облегчающим распространение трещин вдоль плоскости прокатки, являются раскатанные неметаллические включения. В ряде случаев эти участки излома, образующиеся при распространении хрупкой трещины вдоль границы раздела феррит-включение, занимают до 50% и более площади излома (рис. 5.90). Иногда удается обнаружить на поверхности раздела включение-матрица отпечатки перлитных колоний (рис. 5.90, б). Последнее указывает, что плоскость разрушения проходит как по границе феррит-включение, так и по границе перлит-включение. Темные

Таблица 5.14. Доля межзеренного разрушения в стали 10Г2Т разрушившегося газопровода при давлении 7 МПа

Рис. 5.90. Поверхность разрушения в плоскости проката пробы из трубной стали 10Г2Т (угольная реплика), а - х 2000, б - х 3400

фигуры на рисунке 5.90, б соответствуют сохранившимся на реплике частицам тонких пластинчатых включений оксидного типа.

Согласно [204], при визуальном анализе труб, испытавших при эксплуатации трещинообразование, можно выделить две группы труб. Первая группа труб характеризуется следующими общими признаками: хрупким разрушением, отсутствием макропластичес- кой деформации внешних стенок; развитием трещин вдоль оси трубы; преимущественно межзеренным характером развития трещин; началом разрушения от очагов на внешней поверхности труб.

Вторая группа труб обладает следующими общими признаками, существенным образом отличающих ее от первой группы: около излома отсутствовали области с множественными продольными трещинами; внутри стенки трубы вдоль ее оси развивалось макрорасслоение; очаги разрушения расположены во внутренних объемах стенки трубы на поверхности расслоения; от очагов зарождения трещины развивались в разных направлениях.

Анализ содержания диффузионно-подвижного и остаточного водорода в стали указывает [204], что аварийные разрушения труб связаны с инициируемым водородом коррозионным растрескиванием. Сталь наводороживается только в окрестности трещины. Наводороживания всей стенки трубы не происходит.

Зарождение микротрещин во второй группе труб происходит формированием расслоения вследствие повышенного уровня внутренних напряжений. Рост этих микротрещин в направлении внешней стенки происходит по усталостному механизму с образованием усталостных бороздок. После выхода этих трещин на внешнюю стенку трубы и попадания электролита в полость трещины характер роста трещин в первой и второй группах труб совпадает.

Для объяснения [204] специфики роста трещин второй группы труб по сравнению с первой не обязательно привлечение представлений об участии усталостного механизма в развитии трещин. Появление расслоений возможно связано с накоплением водорода на границе раздела феррит-перлит, что вызывает существенное снижение когезивной прочности границ зерен. Приведенные в табл. 5.14 данные о существенно большей доли межзеренного разрушения в плоскости прокатки подтверждают этот вывод.

Наряду с вкладом локального наводороживания и повышенного уровня микронапряжений в развитие стресс-коррозии необходимо учитывать специфику коррозионно-активных сред. По данным [205], скорость электрохимического растворения металла в грунтах из мест, где произошли аварии (районы Мурома, Ухты, Мышкина, Красноту - ринска), на порядок выше, чем в местах, где такого растрескивания труб не произошло. В местах проявления стресс-коррозии наблюдается пониженное значение pH = 5,5. По данным анализа 25 образцов электролита под покрытием на участках трансканадского трубопровода [206], на которых выявлена стресс-коррозия, эти электролиты представляют сильно разбавленные растворы с низкими значениями pH (lt; 7,5). Растворы содержали бикарбонаты, угольную кислоту и некоторые другие вещества.

В последние годы интенсивно обсуждается роль анаэробных бактерий на коррозионное растрескивание под напряжением. Данные на этот счет противоречивы. Сравнение результатов микробиологического анализа со степенью коррозии под напряжением показали возможность вклада сульфатредуцентных и кислотопродуцентных бактерий в общий эффект [206]. В пределах участков трубопровода, имеющих колонии трещин, их количество, длина и глубина возрастают с увеличением концентрации бактерий. Предполагается, что с ростом концентрации бактерий повышается содержание С02, Н2 и органических кислот.

Скорость коррозии в среде, содержащей сульфатвосстанавливаю- щие бактерии, значительно (в 3,5-5 раз) выше, чем в среде, содержащей только H2S (500 мг/л) [207], что обусловлено облегчением анодного процесса растворения металла вследствие образования рыхлой пленки железа. Скорость коррозии металла в присутствии сульфатвосстанав- ливающих бактерий и ионов Fe2+ значительно (в 1,6—2,5 раза) выше, чем в среде, содержащей только бактерии. В этом случае на поверхности металла защитная пленка сульфида железа не образуется.

Имеются предположения [208], что выделяющийся в процессе жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий H2S образует на поверхности металла рыхлый слой сульфида железа. Этот слой создает с металлом местную гальваническую микропару. При этом сульфид железа выступает в роли катода.