Диссертация (1149805), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Согласно теоретическим представлениям механохимии металлов это приводит к росту скорости коррозии и ещё большему утонению стенок. В связи с этим прогнозирование долговечности сосудов, основанное на предположении постоянства скорости коррозии в течение установленногоресурса, даёт завышенное значение долговечности. Эти выводы подтверждаютактуальность рассматриваемых в данной диссертации задач.Модели локальной коррозииМестная (локальная) коррозия приводит к опасным повреждениям конструкций в виде полостей, часто начинающихся с поверхности и уходящихвглубь материала, например, коррозионным кавернам, язвам, коррозионнымили усталостным трещинам.
Характерным для местной коррозии является то,что скорость растворения на небольших повреждённых участках превосходитскорость коррозии на основной части поверхности материала [5; 36; 58]. Это ведёт к постепенному углублению образовавшихся повреждений, иногда приводяк сквозным отверстиям. Возникновение сквозных отверстий в трубопроводахведёт к «протечкам», что наносит урон экологии и экономике [2; 3; 90]. Кроме того, локальные дефекты являются концентраторами напряжений, которыемогут привести к преждевременному разрушению изделия.Многие современные сплавы, имеющие высокую стойкость к общей (равномерной) коррозии, являются, однако, очень чувствительными к местной (локальной) коррозии.
Использование таких сплавов возможно благодаря тонкой защитной плёнке на поверхности металла, препятствующей коррозионному разрушению. Эта плёнка может возникать естественным путём [100], а может быть специально нанесена на элемент конструкции для защиты от коррозии [101–103]. Однако, защитные плёнки могут иметь дефекты (например, микропоры, включения, трещины и др.) или повреждаться в процессе эксплуатации, что приводит к развитию локальных очагов коррозии в местах нарушениясплошности защитного покрытия [36;58]. Нарушение сплошности плёнки можетпроисходить за счёт механического разрушения плёнки [36; 58; 60], а также за24счёт адсорбции агрессивного аниона на поверхность плёнки или проникновениячерез неё, что ведёт к локальному растворению [104; 105].Помимо повреждения защитной плёнки, инициировать локальную коррозию может электрохимическая неоднородность металла.
Причиной этой неоднородности могут быть несовершенства кристаллической решётки, неметаллические включения, участки сплава с более положительным электродным потенциалом, участки металла под продуктами коррозии и др. [36; 58].Одним из наиболее распространённых видов локальной коррозии являетсяпиттинговая (точечная) коррозия. Она выражается в образовании полостей вметалле, начинающихся с поверхности — питтингов. Обычно на поверхностиметалла форма питтингов близка к круговой, а в толщине металла их формаможет быть различной в зависимости от условий их формирования и развития.Зарождение питтингов описывают вероятностными стохастическими моделями [106–111].
В СПбГУ вероятностный подход развивал Роберт АшотовичАрутюнян [112]. Кроме того, этим же автором рассматривались некоторые задачи коррозии под напряжением, а именно исследование роста трещин, скоростьроста которых зависит от коэффициента интенсивности напряжений [113; 114].Одним из способов оценки напряжённого состояния в окрестности питтингов, равно как и других поверхностных дефектов (технологически обусловленных или появившихся в процессе эксплуатации), является конечно-элементноемоделирование [115–119].
Естественно, что ввиду несчётного множества различных комбинаций геометрических параметров число задач в этой области неограничено.До настоящего времени, несмотря на множество теоретических и экспериментальных исследований, процессы возникновения и развития питтингов ещёостаются недостаточно изученными.25Глава 2Равномерная коррозия толстостенной сферыДанная глава посвящена исследованию равномерной механохимическойкоррозии толстостенных сферических сосудов при условии линейной зависимости скоростей коррозии от эквивалентного напряжения на соответствующейповерхности с учётом возможного затухания процесса «растворения» металла. В первом параграфе рассмотрена задача о двустороннем механохимическомизносе толстостенной сферы, находящейся под давлением различных химически активных сред, когда в качестве эквивалентного напряжения используетсямаксимальное нормальное напряжение.
Ранее подобная задача была решенав терминах интенсивности напряжений [98]. Во втором параграфе произведено сопоставление указанных решений, на основе которого исследован вопрос овыборе эквивалентного напряжения в задачах о механохимической коррозии.Была подтверждена целесообразность использования максимального нормального напряжения в качестве эквивалентного в определённых случаях, поэтомуименно оно и использовано в качестве эквивалентного во всех последующих задачах. В параграфе 2.3 получено аналитическое решение задачи о равномерноммеханохимическом износе сферических элементов под давлением с учётом пороговых напряжений.
В параграфе 2.4 приведено аналитическое решение задачиопределения оптимальной начальной толщины сферического сосуда, эксплуатируемого в агрессивных средах. Параграф 2.5 посвящён выводу аналитического решения задачи о механохимической коррозии износе сферических сосудовдавления с учётом термоупругих напряжений.262.1 Задача о двусторонней механохимической коррозиитолстостенной сферы в терминах главного напряженияЗадача о коррозии толстостенной сферы с использованием интенсивностинапряжений в качестве эквивалентного напряжения, влияющего на скорость«растворения», решена ранее в работе [98]. В данном параграфе для сопоставления выведено решение этой задачи, полученное с использованием максимального нормального напряжения в качестве эквивалентного.2.1.1Постановка задачиРассмотрим толстостенную линейно-упругую сферу, находящуюся поддействием постоянного внутреннего pr и внешнего pR давления агрессивныхсред, рис.
(2.1). Пусть материал сферы равномерно корродирует по внутреннейи внешней поверхностям со скоростями проникновения vr и vR соответственно.Коррозионный процесс приводит к изменению размеров сферы таким образом,что внутренняя и внешняя поверхности остаются сферическими; с течениемвремени внутренний радиус r = r(t) постепенно увеличивается, а внешний —R = R(t) — уменьшается.
Радиусы в начальный момент времени t = t0 обозначим через r0 и R0 .Эквивалентные напряжения на соответствующих поверхностях сферыобозначим через σe(r) и σe(R). В качестве эквивалентного напряжения разными авторами выбирались различные инварианты тензора напряжений: максимальное нормальное или касательное напряжения [5], интенсивность напряжений [51; 84; 85; 93; 98], среднее напряжение [1] и другие. Наиболее распространено использование максимального нормального напряжения и интенсивностинапряжений [5; 51; 52; 84; 85].Будем считать, что напряжённое состояние в теле определяется решениемзадачи Ламе [120] для толстостенной сферы под давлением.
В сферической27pRprrRРисунок 2.1 — Схематичное изображение сферы под действием внутреннего ивнешнего давлениясистеме координат (ρ, φ, θ) с началом в центре сферы это решение имеет видr 3 R3pr r 3 − pR R 3−∆p;R3 − r 3ρ3(R3 − r3)r 3 R3pr r 3 − pR R 3+ ∆p 3 3,σφφ (ρ) = σθθ (ρ) =R3 − r 32ρ (R − r3 )σρρ(ρ) =(2.1)где r 6 ρ 6 R, 0 6 θ < 2π, 0 6 φ < π, ∆p = pr − pR .Как упомянуто выше, в данном параграфе будем использовать максимальное нормальное напряжение σ1 в качестве эквивалентного напряжения σe ,влияющего на скорость коррозионного растворения.
Согласно [5], именно σ1обеспечивает наилучшую корреляцию с экспериментальными данными.Здесь и далее в гл. 2 и 3 будем рассматривать случаи, наиболее частовстречающиеся на практике, когда максимальным по абсолютной величине нормальным напряжениемявляется окружное напряжение. Эти ситуации имеютместо при σφφ |t=t0 > min{pr , pR }.В соответствии с (2.1), максимальное нормальное напряжение σ1 = σφφ =σθθ на соответствующей поверхности сферы выражается следующими формулами:2pr r3 + (pr − 3pR )R3;σ1(r) =2(R3 − r3 )(2.2)28(3pr − pR )r3 − 2pR R3.σ1(R) =2(R3 − r3 )(2.3)Обозначим напряжения на внутренней σ1(r) и наружной σ1(R) поверхностях сферы в начальный момент времени t = t0 через σ10 (r) = σ1(r)|t=0 иσ10(R) = σ1(R)|t=0 соответственно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
