Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ влияния скорости коррозии на изменение конструктивной прочности труб тепловых сетей и установление кинетических зависимостей влияния этих изменений на уровень напряжений при рабочих и испытательных давлениях

Плешивцев В.Г.,

Пак Ю.А.,

Глухих М.В.,

Филиппов Г.А.,

Чевская О.Н.,

Ливанова О.В.

Построение кинетических зависимостей процесса коррозии низколегированной стали в зависимости от приложенного напряжения.

Коррозионные испытания низкоуглеродистой стали проводили на пластинах размером 10х 80х 1 мм с отверстием 3 мм. Химический состав стали для проведения коррозионных испытаний представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав

Перед испытаниями проводили нормализацию образцов по следующему режиму: нагрев в вакуумной трубке 910С, 20 мин., охлаждение с трубкой на воздухе. Производили сравнительные коррозионные испытания образцов без предварительной деформации и в напряженном состоянии (в области перехода упругих напряжений в пластические) при приложении изгибающей нагрузки близкой напряжению предела текучести. Нагружение образцов осуществлялось заневоливанием в струбцинах. Схема нагружения и внешний вид образцов представлены на рис. 1 и 2. Перед испытаниями образцы были тщательно зачищены наждачной бумагой. После зачистки были замерены геометрические размеры образцов при помощи микрометра и определена их масса взвешиванием на аналитических электронных весах с точностью до 0,2 мг. Образцы помещались в 3% раствор NaCl с pH = 6,0. Раз в неделю раствор заменяли новым. Перед взвешиванием образцы, извлеченные из электролита, зачищалась фильтровальной бумагой до полного удаления окислов. коррозия сталь кинетический

Результаты испытаний представлены на рис. 3. Из рисунка видно, что склонность к общей коррозии низкоуглеродистой стали в нормализованном и в деформированном при напряжении, близком пределу текучести, стали состояниях достаточно близка, но в тоже время очевидно, что деформация ведет к увеличению скорости коррозии. Так потеря веса за три месяца коррозионных испытаний образцов без деформации составила 107 г/м 2, а деформированного металла - 129 г/м 2. Скорость коррозии определяется, как годовая потеря массы с единицы площади отнесенная к плотности стали.

В результате проведенного эксперимента установлено, что средняя скорость коррозии образцов без деформации составила 0,0061 мм/год, а коррозия образцов под напряжением составляла 0,0083 мм/год, т.е. скорость коррозии в результате деформации увеличилась на 36 %.

Таким образом, исследованная нами низкоуглеродистая сталь (0,042 % С) с ферритной структурой по величине годовой потери массы может быть отнесена по ГОСТ 13819 к группе весьма стойких сталей с баллом 3 по десятибалльной шкале коррозионной стойкости металлов. Это обусловленно прежде всего низким содержанием углерода в исследованной стали и равновесным структурным состоянием после нормализации [1, 2]. Однако, даже для такой весьма стойкой к общей коррозии стали влияние деформации на скорость коррозии оказалось достаточно существенным.

Анализ влияния содержания углерода на скорость коррозии

Известно, что скорость коррозионных процессов зависит от химического состава стали [1, 2, 3]. Поскольку в качестве основного материала для труб теплосетей используются простые углеродистые и низколегированные стали, то основным фактором, от которого зависит коррозионная стойкость таких труб является степень их чистоты по неметаллическим включениям и содержание углерода [4, 5].

Рисунок 1. - Схема испытаний

а)

б)

Рисунок 2 - Внешний вид образцов для коррозионных испытаний: а) без деформации; б) в деформированном состоянии.

Рисунок 3. -Влияние деформации на потерю веса образцов из углеродистой стали при коррозионных испытаниях

С другой стороны, скорость коррозии в значительной степени зависит от структурного состояния, что затрудняет однозначную трактовку влияния содержания углерода [6].

Так в работе [7] показано, что в сталях с содержанием углерода от 0,05 до 0,80% сохраняется единый характер коррозионных диаграмм, т.е. имеют место параболические зависимости скорости коррозии от температуры отпуска. Однако с ростом содержания углерода скорость коррозии увеличивается при всех режимах термообработки, а максимум скорости смещается от температуры отпуска 250С для армко-железа (0,05 % С) до 400-450С для стали 0,60-0,80 %С.

Как показано исследованиями, хотя скорости коррозии сталей в закаленном состоянии, как правило, ниже, чем в горячекатаном, однако для обоих состояний с ростом содержания углерода в исследованных пределах они возрастают примерно на два порядка (в 80-140 раз). Известна также положительная роль микролегирующих элементов (карбонитридообразующих) на сопротивление коррозионным процессам [7]. В частности, как показали исследования, добавка 0,05% ниобия сдвигает чувствительность к межкристаллитной коррозии к большим содержанием примесей внедрения (от 0,01 до 0,015%).

Для оценки влияния содержания углерода в трубной стали были выбраны образцы труб с содержанием углерода 0,04; 0,13 и 0,21 %. При этом для анализа влияния содержания углерода на скорость коррозии использовали как данные лабораторных экспериментов, так и фактические результаты замеров толщины стенки труб после длительной эксплуатации. Результаты анализа скорости коррозии в зависимости от содержания углерода в стали представлены в табл. 2 и на рис.4. Из полученных данных следует, что увеличение содержания углерода в трубной стали от 0,04% до 0,21%, повышает среднюю скорость коррозии почти в 2 раза (с 0,08 до 0,17 мм/год).

Таблица 2

Рисунок 4 - Влияние содержания углерода на среднюю скорость коррозии трубных сталей

Таким образом, при рассмотрении влияния коррозионных процессов на изменение напряженного состояния труб необходимо учитывать содержание углерода. Увеличение содержания углерода в стали повышает скорость коррозии, что может привести к росту уровня кольцевых напряжений в стенке трубы за счет уменьшения её толщины и негативно сказаться на развитии деградационных процессов в металле.

Анализ влияния технологии производства листового проката на скорость коррозии.

Накопленные до последнего времени данные о коррозионном поведении изделий из стали и предложенные способы повышения их коррозионной стойкости относятся преимущественно к стальному прокату массового применения из углеродистых и низколегированных сталей невысокой прочности, поставляемых для изготовления металлоконструкций в горячекатаном состоянии [8, 9]. Между тем весьма эффективным способом экономии металла в народном хозяйстве за счет повышения его прочности, а также обеспечения возможности замены низколегированных конструкционных сталей более простыми и дешевыми низкоуглеродистыми является применение упрочняющей термической обработки, особенно с прокатного нагрева, в потоке прокатных станов [10].

Упрочняющей термической обработке подвергают прокат на промышленных установках на металлургических предприятиях. Поскольку термически упрочненное состояние является метастабильным, т.е. характеризуется повышенной внутренней энергией, то такое состояние в сравнении с не упрочненным (горячекатаным) может оказаться коррозионно более активным и приводить к ограничению использования термически упрочненного проката в условиях воздействия коррозионной среды.

В связи с недостатком и противоречивостью сведений о коррозионной стойкости углеродистых и низколегированных сталей после их термического упрочнения для оценки коррозионной надежности термоупрочненного проката и определения областей его применения были проведены систематические исследования по изучению влияния структурного состояния, химического состава стали и режимов термического упрочнения на коррозионную стойкость металлопроката при коррозии с кислородной и водородной деполяризацией.

Исследования коррозионной стойкости горячекатаных и термических упрочненных углеродистых и низколегированных сталей проводили на шлифованных образцах при переменном погружении в агрессивные среды, вызывающие протекание коррозии.

В работе [7] и последующих исследованиях было установлено, что зависимости скорости коррозии (потери массы) закаленной стали от температуры отпуска (самоотпуска) ("коррозионные диаграммы улучшения") имеют параболический характер с максимумом в районе 350-4000С как в условиях коррозии с водородной деполяризацией (1% раствор H2SO4), так и при коррозии с кислородной деполяризацией (морская вода) (рис. 5). Видно, что в закаленном состоянии коррозия в этих средах значительно ниже, чем в не упрочненном состоянии, а при температурах отпуска, отвечающих максимуму коррозионной активности термоупрочненного металла, потери массы оказываются в полтора раза выше, чем в закаленном состоянии, и превышают потери исходной горячекатаной стали.

Рисунок 5 - Влияние закалки и отпуска на коррозионную стойкость стали 40х 40х 4 мм марки ст 3сп при переменном погружении в 1% H2SO4 (а) и морскую воду (б) в течение 450 и 750 циклов соответственно (длительность цикла: смачивание - высыхание 26 мин, в то числе 5 мин. в агрессивной среде)

При возрастании температуры отпуска выше максимума коррозионной активности картина изменяется: коррозия вновь снижается. Естественно, что возникновение в определенных районах отпуска (самоотпуска закаленной стали) состояния повышенной чувствительности к коррозионному износу необходимо учитывать при использовании термически упрочненного проката. Причины изменения коррозионной активности стали при ее термическом упрочнении связаны с особенностями структурного состояния, которые возникают при закалке и отпуске стали. Повышенная коррозионная стойкость после закалки объясняется возникновением однородной, почти однофазной мартенситной структурой. В горячекатаном (не упрочненном) состоянии структура двухфазная: феррит + перлит. Возникающие при отпуске 350-4500С структуры имеют высокую коррозионную активность вследствие образования карбидов по плоскостям бывших мартенситных пластин и когерентных напряжений при выделении дисперсных частиц.

Высокий (более 6000С) отпуск приводит к снижению коррозионных потерь вследствие развития процессов коагуляции карбидных частиц, повышения равномерности их распределения в ферритной матрице, уменьшения дефектности кристаллической решетки и снятия остаточных напряжений.

Установлено, что и при атмосферных испытаниях (городская и промышленная атмосфера коксохимического завода) углеродистая сталь марки Ст 3сп в закаленном состоянии (в=1300 МПа) обнаруживает заметное улучшение коррозионной стойкости в сравнении с двухфазным горячекатаным состоянием, но при образовании в результате термического упрочнения смешанной структуры продуктов распада аустенита, коррозионная стойкость металла ухудшается.

Повышение степени неоднородности структурного состояния, связанного с появлением новых структурных составляющих при соответствующих режимах термической обработки, изменение формы и дисперсности упрочняющих фаз, протяженности межфазных границ и другие факторы могут оказывать значительное влияние на электрохимическое поведение сталей.

Легирование стали приводит к изменению служебных свойств, в том числе и коррозионной стойкости, в горячекатаном и термоупрочненном состояниях как за счет изменения состава твердого раствора (-железа), так и вследствие их воздействия на процессы структурообразования при термической обработке.

Было исследовано влияние марганца (0,66-1,68%) и кремния (0,3-1,5%) на коррозионную стойкость в 1% растворе H2SO4 низкоуглеродистой стали, термоупрочненной по различным режимам [11]. Установлено, что в закаленном состоянии коррозия сталей, содержащих марганец или кремний, на 25-40% ниже, чем в не упрочненном (горячекатаном или отожженном).

Отмечено положительное влияние кремния на коррозионную стойкость низколегированных сталей. Поэтому трубные стали, содержащие кремний менее склонны к коррозии, чем стали без него [10, 11].

Особо благотворно влияет на коррозионную стойкость легирование стали медью. При этом известно, что медь приводит к снижению скорости коррозии в 2,5-3 раза, как в горячекатаном, так и в термически обработанном состоянии [10].

Значительно более эффективным для получения благоприятного сочетания прочности, пластичности и коррозионной стойкости является термомеханическая обработка проката с ускоренным охлаждением (рис. 6). Это обусловлено тем, что поверхностные слои при термическом упрочнении в потоке стана подвергаются ускоренному охлаждению с образованием продуктов мартенситного или промежуточного превращения. Последующий отпуск (или самоотпуск за счет тепла внутренних слоев металла) приводит к образованию стабильной мелкозернистой структуры с равномерно распределенными, глобулярными карбидами и низким уровнем остаточных микронапряжений.

Рисунок 6. - Коррозионная стойкость горячекатаной (1) и термомеханически упрочненной с прокатного нагрева (2) стали марки Ст 3сп при испытаниях в 3% NaCl (а) (1100 циклов переменного погружения) и в 1% H2SO4 (б) один цикл: 6 мин. - смачивание; 22 мин. - высыхание).

Таким образом, для снижения скорости коррозии трубных сталей необходимо обеспечить следующие основные условия:

- пониженное содержания углерода (0,10%);

- оптимальное легирование марганцем, кремнием и медью;

- микролегирование карбонитридообразующими элементами, понижающими содержание свободного углерода и азота в твердом растворе;

- использование при производстве труб термомеханически упрочненного проката с последующим ускоренным охлаждением, обеспечивающих получение однородной дисперсной структуры.

Выявление критических значений напряжений в стенке трубы в зависимости от длительности эксплуатации и степени деградационных и коррозионных процессов.

Анализ полученных результатов исследований кинетики коррозионных и деградационных процессов трубных сталей различного марочного состава показывает, что, во-первых, уменьшение толщины стенки трубы в результате коррозии должно вызывать повышение уровня кольцевых напряжений, а во-вторых, снижение сопротивления разрушению (в основном работы зарождения трещины) должно привести к изменению критических напряжений, вызывающих разрушение стенки трубы.

Анализ влияния изменения толщины стенки трубы на кольцевые напряжения может быть сделан на основе экспериментальных и фактических данных, тогда как для анализа влияния степени деградационных процессов экспериментальных данных не достаточно. Необходимы расчетные оценки уровня критических напряжений исходя из соотношений механики разрушений [12].

Оценку критических силовых параметров металла трубопроводов в зависимости от степени коррозионной поврежденности проводили на основе данных о скорости коррозии трех составов по содержанию углерода трубных сталей - 0,04%С, 0,013%С и 0,21%С. Определяли изменение уровня кольцевых напряжений в стенке труб в процессе эксплуатации для рабочего давления (6 атм) и трех вариантов испытательных давлений при гидравлических испытаниях тепловых сетей (20 атм, 26 атм и 30 атм). При этом оценивали влияние коррозионного повреждения труб четырех диаметров 200, 400, 800 и 1420 мм со следующей толщиной стенки:

- 6 мм для 200 мм;

- 7 мм для 400 мм;

- 9 мм для 800 мм;

- 11 мм для 1420 мм.

Результаты анализа представлены на рис. 7-18. Для оценки критических параметров металла трубопровода при разных величинах испытательного давления на рисунках показано значения предела текучести в исходном состоянии и предела пропорциональности исследованных сталей в состаренном состоянии. Они необходимы для выявления условий потери устойчивости трубы, т.е. начала пластической деформации.

Рисунок 7 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,04% углерода (диаметр трубы 200 мм, исходная толщина стенки 6 мм).

Рисунок 8 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,13% углерода (диаметр трубы 200 мм, исходная толщина стенки 6 мм).

Рисунок 9 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,21% углерода (диаметр трубы 200 мм, исходная толщина стенки 6 мм).

Рисунок 10 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,04% углерода (диаметр трубы 400 мм, исходная толщина стенки 7 мм).

Рисунок 11 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,13% углерода (диаметр трубы 400 мм, исходная толщина стенки 7 мм).

Рисунок 12 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,21% углерода (диаметр трубы 400 мм, исходная толщина стенки 7 мм).

Рисунок 13 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,04% углерода (диаметр трубы 800 мм, исходная толщина стенки 9 мм).

Рисунок 14 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,13% углерода (диаметр трубы 800 мм, исходная толщина стенки 9 мм).

Рисунок 15 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,21% углерода (диаметр трубы 800 мм, исходная толщина стенки 9 мм).

Рисунок 16 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,04% углерода (диаметр трубы 1420 мм, исходная толщина стенки 11 мм).

Рисунок 17 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,134% углерода (диаметр трубы 1420 мм, исходная толщина стенки 11 мм).

Рисунок 18 - Изменение кольцевых напряжений при рабочем и испытательных давлениях в результате изменения толщины стенки трубы при длительной эксплуатации для стали с 0,21% углерода (диаметр трубы 1420 мм, исходная толщина стенки 11 мм).

На рис. 7, 10, 13, 16 представлены кривые изменения толщины стенки трубы и кольцевых напряжений при эксплуатации для четырех уровней внутреннего давления с низким содержанием углерода в стали 0,04%. Видно, что с развитием коррозионных процессов происходит рост кольцевых напряжений тем больший, чем больше диаметр трубы. Однако, при всех исследованных испытательных давлениях уровень кольцевых напряжений даже после 20 лет эксплуатации ниже, чем величина предела пропорциональности. Для труб малого диаметра (200 мм) они в 4,5 раза, а для труб большого диаметра (1420 мм) в 1,7 раза ниже, чем предел пропорциональности.

Таким образом, для стали с очень низким содержанием углерода коррозионные процессы и рост кольцевых напряжений, связанных с ними не являются основными факторами, определяющими конструктивную прочность трубопровода.

Увеличение содержания углерода до 0,13% увеличивает склонность стали к коррозии (рис. 8, 11, 14, 17). Для труб малого диаметра (200 мм) после 15 лет эксплуатации толщина стенки оказывается тоньше на половину. При этом кольцевые напряжения резко возрастают, достигая при всех исследованных испытательных давлениях критических значений, приводящих к потере устойчивости и разрушению труб.

Для труб большего диаметра (400 мм) из этой стали критическое напряжение достигается в интервале 17-20 лет эксплуатации.

В трубах диаметром 800 и 1420 мм после 20 лет эксплуатации кольцевые напряжения превышают предел текучести в исходном состоянии и близки к пределу пропорциональности стали в состаренном состоянии. Они достигают 0,5-0,9 от пцст, что увеличивает опасность разрушения.

Наконец, как поведет себя сталь с 0,21% углерода в процессе эксплуатации, видно из рис. 9, 12, 15, 18. Для труб малого диаметра (200 и 400 мм) через 10 лет эксплуатации толщина стенки может стать на 50% тоньше, чем исходной трубы. Это приводит к тому, что после 15 лет эксплуатации кольцевые напряжения достигают значения выше предела разрушающего напряжения металла, что вызывает потерю устойчивости и разрушение.

Для труб большого диаметра (800 и 1420 мм) такая ситуация наступает после 20 и 15 лет эксплуатации соответственно (рис. 15, 18).

Таким образом, установлены следующие основные закономерности влияния коррозионных процессов на уровень кольцевых напряжений в металле труб:

- наименее подвержены коррозии и следовательно, к утонению стенок труб, приводящих к росту кольцевых напряжений при эксплуатации трубы стали с низким содержанием углерода ( 0,10%) и повышенной прочностью (530 Н/мм 2);

- увеличение содержания углерода до 0,21% увеличивает склонность коррозии трубной стали, что вызывает более быстрое утонение стенок труб рост кольцевых напряжений в ходе эксплуатации вплоть до критических;

- уровень кольцевых напряжений при гидравлических испытаниях труб большого диаметра выше, чем в трубах малого диаметра, однако темпы роста этих напряжений для последних выше;

- кольцевые напряжения, возрастающие за счет протекания коррозионных процессов, достигают критических значений для труб малого диаметра в среднем через 15 лет, а для труб большого диаметра через 15-20 лет эксплуатации.

Если принять во внимание, что на практике в г. Москве применяются стали с содержанием углерода 0,13-0,24%, то полученные теоретические выводы коррелируются со статистическими данными по различным диаметрам, приведенными на рис. 19.

Установленные закономерности будут использованы для создания обобщенной системы учета деградационных процессов для определения предельных состояний трубопроводов при выборе допустимого уровня испытательного давления.

Заключение

1. Проведен комплексный анализ влияния скорости коррозии на изменение конструктивной прочности труб тепловых сетей и установлены кинетические зависимости влияния этих изменений на уровень напряжений при рабочих и испытательных давлениях.

2. Определено влияние приложенного напряжения на кинетические процессы коррозии низколегированной стали. Показано, что напряжение близкое к пределу текучести, повышает скорость коррозии низколегированной стали.

3. Показано, что увеличение содержания углерода в трубной стали повышает скорость коррозии, что приводит к росту кольцевых напряжений в стенке трубы за счет их утонения и может негативно сказываться на развитии деградационных процессов в металле труб.

4. Склонность трубных сталей к коррозии зависит от структурного состояния; наиболее благоприятным с точки зрения сопротивления коррозии является термомеханически упрочненный прокат с последующим ускоренным охлаждением с прокатного нагрева или термоулучшенный с печного нагрева, обладающий однородной, дисперсной структурой.

5. Проведен комплексный анализ влияния коррозии металла на уровень напряжений в стенке трубы при рабочих и испытательных давлениях, и выявлены критические значения напряжений в стенке трубы в зависимости от диаметра труб, содержания углерода в стали, длительности эксплуатации и степени деградационных и коррозионных процессов.

Список использованной литературы

1. Толманов Н.Д., Чернова Г.П. Коррозия и коррозионностойкие сплавы. М. "Металлургия", 1973 г., 231 с.

2. Сб. Международного конгресса "Защита", Москва, 8-11 июня, 1998 г, 115 с.

3. Иванцов О.М. Надежность строительных конструкций. М., Недра, 1985. 231с.

4. Логан Х.Д. Коррозия металлов под напряжением, М., Металлургия, 1970, 340 с.

5. Коррозионное растрескивание аустенитных и ферритоперлитных сталей/В.В. Сагадзе, Ю.Н. Филиппов, А.Ф. Матвиенко и др. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. ISBN5 - 7691 - 1439 - 8., стр.88.

6. Калмыков В.В., Гречная И.Я. Пути повышения коррозионной стойкости термически упрочненного проката. Сб. Черная металлургия. Наука-технология-производство. М., Металлургия, 1989, с. 356.

7. Калмыков В.В. Влияние углерода на коррозионное поведение термически упрочненного проката //Защита металлов. 1987. Т. 23, №4. С. 659-662.

8. Розенфельд И.Л. Атмосферная коррозия металлов. - М.: АН СССР, 1960. - 372 с.

9. Веденкин С.Г. Влияние состава низколегированных строительных сталей на их атмосферную коррозию//Защита металлов. 1975. Т. II. №3. С. 275- 289.

10. Скороходов В.Н., Одесский П.Д., Рудченко А.В. Строительная сталь, М.: ЗАО "Металлургиздат", 2002. 624 с.

11. Калмыков В.В., Гречная И.Я. Влияние марганца и кремния на коррозию термически упрочненной низкоуглеродистой стали // Защита металлов. 1986. Т. 32. №3. с. 428 - 431.

Размещено на Allbest.ru