Сорбционные разрушения элементов оборудования

Водород относится к числу наиболее сильных сорбционно-активных сред по отношению к металлам и сплавам. Он оказывает существенное влияние на механические свойства большинства металлов: у пластичных малоуглеродистых сталей вызывает резкое снижение относительного удлинения, поперечного сужения, ударной вязкости; у высокоуглеродистых закаленных сталей с повышенными прочностными характеристиками -уменьшение предела прочности. Даже при отсутствии внешних нагрузок происходит растрескивание сталей.

По механизму взаимодействия водорода с металлом следует выделить два различных, но взаимосвязанных процесса: адсорбция - молекулярное взаимодействие водорода с поверхностью металла, приводящее к образованию насыщенного слоя водорода на границе раздела газ - металл, и абсорбция - растворение водорода в массе металла.

Поверхность металла обычно обладает достаточно высокой адсорбционной способностью ввиду наличия у нее значительной свободной поверхностной энергии, обусловленной особенностями металлической связи.

Водород обладает большой склонностью к диффузии в твердых телах. Особенно большой подвижностью он обладает в металлах, что объясняется его малыми размерами и строением атома. Принято считать, что водород в металлических растворах находится в виде протона, чем и обусловливается его большая подвижность. Растворяясь в кристаллической решетке стали, атомы водорода отдают свои электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (протоны). Ионы водорода диффундируют в кристаллической решетке стали с высокой скоростью. Встречая на своем пути какие-либо дефекты (микропустоты, трещины, раковины, дислокации и т.п.), они выходят из кристаллической решетки и, молизуясь, создают в объеме микродефекта большое внутреннее давление до 4,0 тыс. МПа и выше, что вызывает деформирование кристаллической решетки металла и приводит к потере вязкости, т.е. возникает водородная хрупкость.

КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКИЕ РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Коррозионно-механические разрушения возникают при совместном воздействии на элементы оборудования коррозионно-активной среды и механической нагрузки.

Равномерная коррозия, поражающая как ненапряженный, так и равномерно-напряженный металл, наиболее благоприятна и не изменяет механических характеристик стали. Неравномерная коррозия (избирательная коррозия), вызванная структурной неоднородностью металла или наличием градиентов напряжений (особенно концентрацией напряжения), приводит к некоторому уменьшению прочности и пластичности мягких сталей..

Коррозия может даже увеличить статическую прочность, улучшить сопротивление удару в случае, если образцы до коррозии имели острые концентраторы типа трещин и царапин, которые в результате коррозии затупляются, в силу чего снижается концентрация напряжений.

Местная коррозия стальной проволоки, например, используемой для канатов, незначительно снижает ее прочность, но существенно уменьшает число перегибов, характеризующих пластические свойства материала (табл. 5.1).

При длительном действии статической нагрузки, меньшей предела прочности, на некоторые виды сталей в коррозионных средах может наблюдаться хрупкое разрушение металла.

Различают следующие виды коррозионно-механического разрушения элементов оборудования: коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, коррозия при трении.

Рис. 5.3. Кривые усталости стали 20Н2М в различных

Средах:

1 - на воздухе; 2 - в 3%-ном водном растворе NaCl

 

Изнашивание в средах, являющихся электролитами, представляет сочетание механического изнашивания с коррозией.

 

Адсорбционная усталость наблюдается в определенной области механических режимов нагружения при циклическом действии растягивающих напряжений в зоне сравнительно невысоких частот. Причем снижение предела выносливости не зависит

Рис. 5.5. Кривые усталости стали 20Н2М в коррозионно-активной и адсорбционно-активной среде:

1 - на воздухе; 2 - в адсорбционно-активном масле; 3 - в воде

ни от времени пребыва-ния циклически нагруженного металла в среде, ни от числа циклов.

Рис. 5.6. Кривые статической усталости различных сталей в сероводородсодержащей водной среде:

1 - сталь 20Н2М; 2 - сталь 40; 3 - сталь 65

 

На рис. 5.6 приведены кривые статической (водородной) усталости различных сталей в сероводородсодержащей водной среде.