Факторы, влияющие на процессы зарождения и развития стресс-коррозионных трещин
5. Факторы, влияющие на процессы зарождения и развития стресс-коррозионных трещин; приоритетность их значимости.
Анализ основных направлений исследований по выявлению причин, вызывающих склонность металла к коррозионному растрескиванию под напряжением труб в газопроводах высокого давления свидетельствует о том, что гипотезы о причинах возникновения КРН различны. Они отличаются по оценке роли условий эксплуатации, вида и состояния изоляции, а также исходного качества и состояния материала труб.
Многообразие факторов, определяющих сопротивление (R) и обратную ему величину - склонность металлических конструкций к разрушениям, может быть выражено следующими основными условиями:
· состоянием антикоррозионной защиты газопровода (З);
· напряженно-деформированным состоянием элементов конструкции газопровода (Н);
· воздействием группы основных факторов, изменяющих свойства металла трубы (М) и влияющих на развитие коррозионных процессов;
· воздействием окружающей трубопровод среды (С).
R (t) = f (З; Н; М; С)
Рекомендуемые материалы
Эти условия ( З - Н - М - С ) - изменяются во времени (t) на всех стадиях жизненного цикла газопровода.
В зависимости от конкретных условий в системе (З-Н-М-С) возможны различные виды разрушения конструкций: от механического разрушения с высокой скоростью развития трещины (например, разрушение при низких температурах), до видов разрушения типа сплошной коррозии при относительно малых скоростях разрушения без трещинообразования. Промежуточное положение, в целом, занимает коррозионное растрескивание под напряжением.
Независимо от наблюдаемой формы развитие трещин КРН происходит в несколько последовательно сменяемых друг друга этапов: инкубационный период зарождения колоний микротрещин; период подрастания микротрещин, их слияние (коалесценция), и образование макротрещин; период медленного развития трещин в колониях, иногда с постоянной скоростью в течение длительного времени; слияние расположенных на одной линии трещин в магистральную и ее нестабильный рост, когда в зоне очага магистральной трещины наступает потеря пластической устойчивости материала трубы.
Кинетика процесса, соответствующая данному сценарию, показана на рис.10.
Рекомендуем посмотреть лекцию "Особенности размещения территориальной организации отраслей промышленности".
Инкубационный период включает в себя стадию отслаивания изоляционного покрытия и формирования комплекса условий, приводящих к зарождению и развитию трещин КРН. В целом, на начальные стадии процесса расходуется большая часть времени жизни трубопровода. Очевидно, что исследование этих стадий представляет наибольшие трудности, поскольку традиционные методы, основанные на моделях электрохимической кинетики или механики разрушения, мало пригодны для построения расчетных зависимостей стабильного роста коррозионно-механической трещины. По результатам экспериментов был сделан вывод, что начальные трещины зарождаются от коррозионных питов, щелей и других дефектов поверхности, после чего трещины возникают также и от других мест. Образование пита, в свою очередь, коррелирует с имеющимися в материале неметаллическими включениями и другими металлургическими аномалиями, облегчающими растворение металла.
 | |||
| |||
Рис.10. Графическая модель развития трещин КРН.
Некоторые авторы, ссылаясь на проведенные фрактографические исследования, полагают, что на начальном этапе под воздействием коррозионной среды образуется межкристаллитная или транскристаллитная трещина. Вслед за моментом образования скорость трещины резко падает и стабилизируется, что объясняется частичным притуплением ее вершины и релаксацией напряжений. Стабилизация же скорости трещины на 3-ей стадии, продолжительность которой может быть очень велика, обусловлена многими причинами, и в первую очередь, противоборством двух одновременно протекающих процессов. С одной стороны, при сохранении всех необходимых условий продолжается рост индивидуальных трещин, с другой стороны, вступает в силу фактор механического взаимовлияния параллельно расположенных трещин. Трещины в колонии получают возможность дальнейшего роста в том случае, когда они расположены на значительном расстоянии друг от друга (так называемое рассеянное расположение). При близком расположении трещин внешние напряжения в значительной степени экранируются, и рост индивидуальных трещин внутри колонии существенно замедляется. Определенный вклад в стабилизацию медленно растущей трещины несомненно вносит коррозионное растравливание ее берегов и вершины. Известны случаи, когда газопроводы, имеющие трещины КРН, успешно эксплуатируются в течение 30 и более лет. В целом, опубликованные на сегодня данные, свидетельствуют о том, что диапазон скоростей роста трещин (на 3-ем этапе) измеряется в достаточно широких пределах: от 0,03 до 30 мм/год. Так, канадская компания СЕРА рекомендует при определении периодичности переиспытаний газопроводов использовать значения скорости роста трещины, равные 0,6 мм/год. Ю.П. Сурковым с сотрудниками было найдено, что средняя скорость роста стресс-коррозионной трещины составляет около 1,15 мм/год. В других работах эффективная скорость роста трещины оценивается в 1¸1,2 мм/год.
Обобщенная механо-химическая модель стресс-коррозионного растрескивания представлена на рис. 11. Электролит, представляющий собой почвенную влагу, попадая под отслоившуюся изоляцию, соприкасается с наружной поверхностью металла трубы. Места со структурной неоднородностью стали являются основными концентраторами напряжений. Водород – продукт деполяризующей коррозионной реакции, выделяется на поверхности металла и поглощается им в области локальной пластической деформации в вершине трещины (дефекта). Далее реализуются известные механизмы водородного охрупчивания: адсорбционного снижения прочности, декогезии, внутреннего давления и т.п.
