CC BY
70
В роботi встановлен причини приско-реног корози i руйнування металорукавiв для транспортування природного газу, що виготовляються з неiржавiючих сталей. Встановлено неоднозначний вплив ступе-ня деформаци на схильтсть до корозш-ного руйнування аустеттних сталей, показана ефективтсть застосування тер-мiчног обробки сталей А^1 304 i А^1316 для тдвищення гх корозшног стiйкостi
Ключовi слова: металевi рукава, корозшна стштсть, тттги, деформа-щя, макроструктура, аустешт, термiч-
на обробка
□-□
В работе установлены причины ускоренной коррозии и разрушения металло-рукавов для транспортировки природного газа, изготавливаемых из нержавеющих сталей. Установлено неоднозначное влияние степени деформации на склонность к коррозионному разрушению аустенитных сталей, показана эффективность применения термической обработки сталей А^1304 и А^1 316 для повышения их коррозионной стойкости
Ключевые слова: металлические рукава, коррозионная стойкость, питтинги, деформация, макроструктура, аустенит, термическая обработка
УДК 669.14.018.256
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.47035|
ДОСЛ1ДЖЕННЯ КОРОЗШНО1 СТ1ЙКОСТ1 ЗВАРНИХ МЕТАЛОРУКАВ1В З1 СТАЛЕЙ AISI 304 ТА AISI 316
Н. А. С о л i д о р
Кандидат техшчних наук, доцент* E-mail: solidor@rambler.ru В. П . I в а н о в
Кандидат техшчних наук, доцент** E-mail: ivanov_v_p@pstu.edu Ф. В. Моргай Астрант** E-mail: fedor_morgay@ukr.net Б. I. Носовський Кандидат техшчних наук, доцент** E-mail: nosovskiy_b_i@pstu.edu *Кафедра матерiалознавства*** **Кафедра обладнання та технологи зварювального виробництва*** ***ДВНЗ «Приазовський державний техшчний ушверситет» вул. Ушверситетська, 7, м. Марiуполь, Донецька обл., УкраТна, 87500
1. Вступ
Ресурсозбереження, а також тдвищення термшу служби деталей, що виходять з ладу внаслщок коро-зшного руйнування, вщносяться до числа найважли-вших проблем сучасно! промисловость Витрати на ремонт та виготовлення нових деталей заметь перед-часно списаних становить одну з найб^ьших статей витрат у бюджета
Вельми актуальною проблемою експлуатацп звар-них металевих рукавiв для транспортування природного газу е прискорена корозiя, яка за певних умов може вже ввдбуваеться на стадп !х збертння. В зна-чнш мiрi на цей процес впливае склад та волопсть повiтряного середовища в складському примiщеннi.
У випадку наявност в атмосферi складського при-мiщення пiдвищеного вмiсту солей та вологоси у впадинах гофр металорукавiв вiдбуваеться осiдання конденсату, що тдсилюе корозiю виробiв. У зв'язку з вищевикладеним представляе практичний iнтерес вивчення причин прискорено! корозп i руйнування рукавiв металевих зi сталей А^1 304 i AISI 316 та мож-ливiсть !х попередження. При цьому, суттеву економт енергоносiiв можливо забезпечити шляхом впрова-дження нових режимiв термiчноi обробки, оскiльки одними з найб^ьш вiрогiдних причин прояву мшцево! корозii розглянутих виробiв е неоднорщний напруже-
ний стан i склад корозшного середовища. У зв'язку з цим, для значного тдвищення корозшшл стшкост сталей при ввдносно невисоких витратах актуальною е розробка ращональних режимiв термiчноï обробки.
2. Аналiз лiтературних даних i постановка проблеми
Вщомо, що особливiстю аустеттних хромотке-левих сталей е ïx схильнiсть до niTiHroBoï Kopo3iï. Виразкова корозiя виникае у випадках, коли оксидна плiвка втрачае свою мщтсть i, вiдповiдно, не здатна попередити дж середовища, що чиниться на матерiал. Результатом подiбного впливу може бути локальне пошкодження оксидноï плiвки, i, як результат, мож-лившть корозiйноï атаки. Так, авторами роботи [1] розглянута кшетика руйнування аустештшл неiржа-вiючоï сталi UNS S30400 у водному розчинi амiаку при температурi 260 0С за допомогою xiмiчного видалення оксидiв, у [2] вiдмiчена важлива роль впливу продук-тiв корозiйного руйнування на швидюсть росту птн-гiв аустенiтноï сталi SUS304 у розчинi хлориду натрт. Проте данi щодо впливу термiчноï обробки неiржавi-ючих аустенiтниx сталей на схильтсть до пiтiнговоï корозп в цих середовищах вiдсутнi.
Проведет в робоп [3] дослiдження показали, що тиск при пресуваннi зразюв зi сталей 304 i 316L та атр
мосфера сткання впливають на !х корозшну стiйкiсть, при цьому пiтiнгостiйкiсть вище у сталi 316L при бшьш високiй щiльностi пресування з подальшим спiканням як у вакуумi, так i в азотно-водневiй атмосферi. Авторами показано, що подальше старшня зразкiв при температурах 675 и 875 °С сприяе зниженню пасивностi мета-лу, проте сприйнятливкть до точково! корозii майже не змшюеться. Мiж тим, старiння при температурi 375 °С приводить до пщвищення пiтiнгостiйкостi сталей, що пов'язують з наявнiстю в структурi пластинчасто! скла-дово!, яка з'являеться в деяких зразках, спечених в азот-но-водневш атмосферi. Авторами описана роль азоту у зразках, спечених в атмосферi азоту i водню, та и зв'я-зок з особливостями мiкроструктури. Проте бiльшiсть металовиробiв з аустештних сталей виготовляеться не за допомогою спiкання, а шляхом пластичного дефор-мування. Саме тому вивчення впливу рiзних режимiв термiчноi обробки деформованих виробiв е вельми ак-туальним завданням.
Вщомо, що схильнiсть до птнгово! корозп аусте-нiтних хромонiкелевих сталей зростае в умовах дп юшв хлору (особливо в умовах морського клiмату). При цьому показано, що вiрогiднiсть виникнення точково! корозп знижуеться зi зменшенням дiаметра та товщини металовиробу [4], а бшьш схильнi до коро-зiйного руйнування зразки, що мають бiльш високу шорстюсть [5]. Авторами роботи [6] представлеш до-слiдження щодо змшення поляризацiйних кривих та морфологii поверхш зразкiв неiржавiючоi сталi 304 у розчиш хлориду натрiю з застосуванням ультразвуку та без останнього. Показано, що схильшсть як до точково!, так i до щшинно! корозii в значнiй мiрi знижуеться при застосуванш ультразвуку, що пов'язано зi зниженням концентрацii юшв водню i хлору на поверхш, видаленням продукпв корозii та перемшуван-ням агресивно! рiдини.
В робот [7] авторами представленi дослщження щодо впливу деформацii та концентрацп хлор-iонiв на схильнiсть до точково! корозп неiржавiючоi ста-лi 304. Показано, що у вщповщност до рiвнiв напру-жень 0 %, 10 % i 30 %, коли концентращя хлор-iонiв нижче за 463 мг-л-1, 121 мг-л-1 i 98 мг-л-1 вiдповiдно, потенцiал точково! корозii зсуваеться в позитивний бж i пасивна плiвка стае бiльш стабiльною. Проте даш дослiдження вивчення впливу пластично! деформацп на корозiйну стiйкiсть сталi AISI 304 обмежуеться сту-пенем деформацп 30 %, хоча вщомо, що при виготовле-нi металовиробiв матерiали можуть зазнавати бiльшi деформацп. Це викликае необхщшсть проведення по-дальших дослiджень в цьому напрямку.
Неiржавiючi зварнi металорукава для транспор-тування рiзних середовищ, в тому чи^ i природного газу, що виготовляються зi сталей марок А^1 304 i AISI 316, поряд з достатшми властивостями мiцностi повинш володiти вiдмiнною стiйкiстю до впливу агре-сивних середовищ природного або техногенного характеру. При цьому, слщ звернути увагу на дш у процес транспортування та зберiганнi зварних гофрованих труб факторiв, пiд впливом яких у певних умовах деталi схильш до корозп. Це обумовлюе необхiднiсть визначення рацiональних режимiв термiчноi обробки для цих сталей з метою зменшення i запобiгання ризи-ку виникнення корозiйного руйнування i зменшення матерiальних та енерговитрат.
У зв'язку з цим необхщно дослщити вплив сту-пеня деформацii на корозшну стшюсть аустенiтних сталей А^1 304 i AISI 316 та вплив термiчноi обробки на корозшну стшюсть дослiджуваних сталей в рiзних середовищах.
3. Мета i завдання дослщження
Метою роботи е встановлення причин корозшних пошкоджень рукавiв металевих, а також дослщження мжроструктури i властивостей аустештних сталей А^1 304 i AISI 316 пiсля рiзних режимiв термiчноi обробки.
Для досягнення поставлено! мети виршувалися наступнi завдання:
- вивчити вплив термiчноi обробки на структуру та корозшну стшкють аустенiтних сталей AISI 304 i AISI 316 в рiзних агресивних середовищах;
- вивчити вплив ступеня пластично! деформацп на корозшну стшюсть сталей AISI 304 i AISI 316.
За результатами дослщження розробити рекомен-дацп щодо усунення причин пошкодження зварних металорукавiв.
4. Матерiали та методи дослщження впливу термiчно¡ обробки i ступеня пластично! деформацп на структуру
та корозiйну стiйкiсть неiржавiючих аустештних сталей
4. 1. Дослщжуваш матерiали та устаткування, що використовувались в експеримени
В данiй роботi представлеш результати дослщження макро- i мiкроструктури, корозiйноi зносостiйкостi аустенiтних сталей в залежност вiд ступеня деформацп та режимiв '!х термiчноi обробки. Об'ектом до-слiдження служили сталi AISI 304 i AISI 316 (масовi частки елементiв): AISI 304 - <0,08 % С, <0,75 % Si, <2,00 Мп, 18,00-20,00 % Сг, 8,00-10,50 % №, <0,030 % S, <0,045 % Р; AISI 316 - <0,08 % С, <0,75 % Si, <2,00 % Мп, 16,00-18,00 % Сг, 10,00-14,00 % №, 2,00-3,00 % Мо, <0,030 % S, <0,045 % Р.
У дослщженнях використовувався металографiч-ний метод.
Випробування на розтягування з рiзним ступенем деформацп проводили на розривнш машинi ЗИМ типу УММ-5 (ГОСТ 7855-61). Зразки сталей виготов-лялися вiдповiдно до ГОСТ 1497-84. Ступшь деформацп зразкiв становила 20, 40, 60 i 80 %.
4. 2. Методика визначення показника опору до ко-розшного руйнування
Випробування на електрохiмiчну корозiю проводили вщповщно до ГОСТ 9.514-99 у 80 %-му розчиш арчано! кислоти (H2SO4) i 60 %-му розчинi хлориду натрж (NaCl). Основнi параметри випробувань: и=3 В, 1=1,5 A. Зразки пiсля випробування проми-валися водою, пщдавалися сушiнню, знежиренню i зважуванню. Визначення втрати маси зразюв прово-дилося через кожнi 5 хвилин випробувань шляхом !х зважування за допомогою електричних вапв моделi ВЛР-200 (ТУ 25.06.1131-75). Загальний час випробувань становив 10 хвилин.
5. Результати дослщжень корозШно! стШкосп сталей _AISI 304 1 AISI 316_
Одними з найвiрогiднiших причин прояву мюцево'1 корозii (плями, птнги, виразки) металевих рукавiв е неоднорщний напружений стан i склад корозшного середовища.
Зварнi з'еднання металорукавiв виконуються за до-помогою мшроплазмового зварювання, потiм гофру-ються до необхщного розмiру. Характер корозiйних пошкоджень i мiсця iх розташування (далеко вщ звар-ного шва та ЗТВ) дозволяють зробити висновок, що при виконаннi зварювальних робiт несприятливих змш в металi зварного шва i бiляшовноi зони не вини-кае. Пошкодження спостерiгаються не по всш поверхнi виробу, а в найбоьш дефектних зонах з високим рiв-нем залишкових напружень мiж ребрами жорсткостi (гофрами).
Для iмiтацii умов роботи металорукавiв зразки з обох сталей були попередньо гофроваш вщповщно до методики виготовлення деталей, що використовують-ся на виробництвi. Вщомо, що дефектнi дiлянки крис-талiв (високо- i малокутовi межi зерен, дислокацп), електродний потенцiал яких занижений, е анодами i руйнуються при корозп. Крiм того, несприятлива змЬ на напруженого стану металу також е фактором, що пiдсилюе вплив корозiйного середовища [8].
Шсля випробувань на електрохiмiчну корозп в розчинi сiрчаноi кислоти втрата маси деформованих зразюв сталi 304 без термiчноi обробки склала 0,06 г, а сталi 316 - 0,02 г; в сольовому розчиш -0,16 i 0,11 г вiдповiдно.
Одним з ефективних способiв зниження рiвня вну-трiшнiх напружень в сплавах е термiчна обробка. У зв'язку з цим в робо^ проводилися дослщження щодо впливу термообробки на корозшну стiйкiсть сталей аустенiтного класу 304 i AISI 316 в рiзних корозi-йних середовищах.
Вихiдна структура сталей 304 i AISI 316 анало-гiчна i представляе собою аустешт. На рис. 1 представлена мшроструктура сталi AISI 304.
В ходi дослiджень встановлено, що корозшна стш-кiсть зразкiв обох сталей змшюеться неоднозначно. Так, збоьшення iнтенсивностi корозiйного руйну-вання сталей 304 i AISI 316 спостерпалося пiсля вiдпуску при температурах 350, 650 i 750 0С, а зниження - при 450-550 0С, що пiдтверджуеться показника-ми змiни маси дослiджуваних зразюв i вивченням макроструктури.
Макроструктура дослщжених зразкiв обох сталей пiсля електрохiмiчноi корозп в розчинi сiрчаноi кислоти i сольовому розчинi представлена на рис. 2, 3.
Встановлено, що до електрохiмiчноi корозп в мен-шш мiрi схильнi зразки сталей 304 i 316 пiсля вiдпуску при температурi 550 0С. Ймовiрно, це пов'язано з тим, що при данш температурi в сталях повнiстю зшмаються внутрiшнi напруження, отри-манi в результат попередньо'1 деформацп, i корозiя протiкае з найменшою швидкiстю. При цьому наймен-шими втратами маси характеризуются зразки сталi з мшродобавками молiбдену (AISI 316). Вiдомо, що молiбден робить сталь бiльш захищеною вiд пiтiнговоi i щiлинноi корозп в хлористому середовищ^ морськiй водi та в парах оцтово'1 кислоти, осюльки вiн пiдвищуе потенцiал птнгоутворення (Ещт.) i, вiдповiдно, змен-шуе швидкiсть утворення пiтiнгiв.
Рис. 1. М1кроструктура стал1 AISI 304, х500
Зразки дослiджуваних сталей пiсля деформацп тдда-валися вiдпуску в iнтервалi температур вiд 250 до 750 0С з метою зниження внутршшх напружень (час витримки складав 30 хв.). Пiсля вiдпуску охолодження проводило-ся на спокiйному повiтрi. Во. дослiджуванi зразки пiсля термiчноi обробки перевiрялися магнiтним методом, в результат якого наявнiсть магнiтних фаз не виявлена. По-тiм зразки тддавалися електрохiмiчнiй корозп у 80 %-му водному розчиш срчано'1 кислоти (H2SO4) i 60 % -му водному розчиш хлориду натрш (№С1).
Рис. 2. Макроструктура вщпущених при р!зн1й температур! зразмв дослщжених сталей пюля корозшних випробувань у 80 %-му розчиш арчаноТ кислоти
Боьш низький показник загально'1 корозп в злегка корозшних середовищах дае гарний корозшний опiр у забрудненш i морськiй атмосферi [9]. Це пов'язано з тим, що молiбден стримуе видоення карбiдiв хрому в твердому розчиш, знижуючи термодинамiчну актив-нiсть атомiв вуглецю i змшюючи поверхневу енергiю на межах зерен.
На рис. 4 представлен графши втрати маси зраз-кiв обох сталей в розчиш орчано'1 кислоти (рис. 4, а) i сольовому розчиш (рис. 4, б). Як видно з рис. 4, сталi 304 i AISI 316 характеризуются найменшими втратами маси шсля вщпуску при температурi 550 0С. При цьому на поверхнi зразюв не виявлено осередкiв корозiйного руйнування.
Рис. 3. Макроструктура в1дпущених при р1зшй температур] зразюв досл1джених сталей шсля короз1йних випробувань у 60 %-му розчиш хлориду натр1ю
0,3
ё0,25
^ 0,2 л
§ 0,15
5
а 0,1 *
о 0,05
/ /
250
350 450 550 650
•А181304 А181316
750 Т,°С
Рис. 4. Залежн1сть втрати маси сталей А1в1 304 1 А1в1 316 п1сля в1дпуску при р1зних температурах: а — в розчиш арчаноТ' кислоти; б — в розчин1 хлориду натр1ю
Згiдно з отриманими даними, з шдвищенням температури вщпуску з 250 до 350 0С вiдбуваeться збiльшення швидкостi корозп обох сталей, що, iмо-вiрно, обумовлено закрiпленням дислокацiй атомами вуглецю (утворенням атмосфер Коттрелла). Широко вщомий той факт, що при зниженш температури концентрацiя домiшок близько дислокацп зростае i за досягнення межi розчинностi поблизу ядра дисло-
кацп можуть утворитися дисперсн видыення друго1 фази (карбiдiв) [10]. При цьому на поверхш металу спостер^аеться утворення велико1 кiлькостi дрiбних роз'еднаних уражень (пiтiнгiв), якi в окремих мюцях зливаються, утворюючи виразки.
При температурi 450 0С в сталях AISI 304 i AISI 316 починаються процеси розсмоктування атмосфер Кот-трелла, а також зниження рiвня внутрiшнiх напружень, що призводить до зменшення втрат маси з 0,12 до 0,09 г i з 0,07 до 0,06 г вщповщно. При цьому кыькють птнпв на поверхнi зразкiв рiзко зменшуеться.
Збiльшення швидкостi корозiйних проце^в досль джених сталей пiсля вщпуску при 650-750 0С обумовлено збщншням аустештноí матрицi вуглецем i хромом в результатi видiлення карбшв Сг2зСб, СГ7С3, що ви-кликае утворення прикордонних дыянок зi зниженим електрохiмiчним потенцiалом. Цi фактори штенсифь кують корозiйне руйнування на поверхш обох сталей (рис. 4). При цьому на поверхш зразюв дослщжених сталей чiтко видно численнi мшропшнги i осередки корозiйного руйнування, яю бiльш яскраво вираженi у зразюв сталi AISI 304. При розшаруванн твердого розчину i видiленнi других фаз збщнеш хромом межi зерен стають анодами i корозiйне руйнування набувае небезпечного мiжкристалiтного характеру.
При цьому слщ зазначити, що найбыьш штенсив-но пiтiнгова корозiя дослщжених сталей протiкае в сольовому розчиш. Це пов'язано з тим, що анюни С1-, С104- та ш. е активуючими, присутнiсть яких в коро-зiйному середовищi за певних умов викликае появу птнгово! корозп, а анюни S042- та ш. е iнгiбiторами пmнговоí корозп, присутнють яких викликае гальму-вання або повне припинення останньо1.
На пiдставi отриманих даних для металорукавiв, що виготовляються зi сталей аустенiтного класу АК1 304 i AISI 316, з метою зниження схильнос^ до корозшного руйнування (пiтiнговоí корозп) рекомендуеться прове-дення вiдпуску для зняття внутр^шх напружень при температурi 550 0С протягом 30 хвилин.
Мiж тим, в умовах пiдприемства, що виготовляе металевi рукава, маються низькотемпературш печi з максимальною температурою на^ву 250 0С. Крiм того, шсля рекомендовано1 в роботi термiчноí обробки при температурi 550 0С колiр металовиробiв змшюеть-ся - стае быьш темним та iнтенсивним, що вкрай неба-жано для замовниюв. У зв'язку з цим, в робо^ досль джено вплив часу витримки при низькому вщпуску на корозшну стiйкiсть зразкiв сталi 316, що володiе найбiльш високим опором корозшному руйнуванню в порiвняннi з AISI 304.
Пiсля випробувань на електрохiмiчну корозiю в сольовому розчиш втрата маси зразюв сталi AISI 316 без термiчноí обробки склала 0,027 г. Зразки сталi 316 пiддавалися вiдпуску при температурi 200 0С з метою зниження внутр^шх напружень. Витримка при на^ванш становила 30, 60, 90 i 120 хвилин. Пiсля вщпуску охолодження проводилося на спокiйному по-вiтрi. Всi дослiджуванi зразки шсля термiчноí обробки перевiрялися магнiтним методом, в результат якого наявнiсть магштних фаз не виявлена. Потiм зразки пщдавалися випробуванню на електрохiмiчну коро-зiю в 60 %-му водному розчиш хлориду натрш (NaCl).
В ходi дослiджень встановлено, що корозшна стш-кiсть зразкiв сталi 316 пiсля низького вiдпу-
ску при рiзному ча^ витримки в iнтервалi вiд 30 до 120 хвилин змшюеться неоднозначно (рис. 5).
Рис. 5. Вплив часу витримки при низькому вщпуску на корозшну стшкють зразкiв сталi AISI 316 в 60 %-му розчин хлориду натр^
Так, зниження iнтенсивностi корозшного руйну-вання сталi AISI 316 спостерпалося при пiсля вiдпуску при 200 0С протягом 60 хв., а iнтенсифiкацiя корозш-них процесiв - при витримках 90 хв. i бiльше, що шд-тверджуеться показниками змiни маси дослiджуваних зразюв i вивченням !х макроструктури.
Макроструктура дослщжених зразкiв сталi пiсля електрохiмiчноi корозп в сольовому розчинi представлена на рис. 6.
Встановлено, що до електрохiмiчноi корозп в мен-шiй мiрi схильш зразки сталi AISI 316 шсля вiдпуску при температурi 200 0С (т=60 хв.). Ймовiрно, це пов'я-зано з тим, що при даних температурi i часi витримки в сталi повнiстю зшмаються внутрiшнi напруження, отриманi в результат попередньо'1 деформаци, i коро-зiя протiкае з найменшою швидкiстю.
Зпдно з отриманими даними, зi збшьшенням часу витримки бiльш нiж 60 хв. вщбуваеться збiльшення швидкостi корози дослщжено! сталi, що, iмовiрно, обу-мовлено пiдвищенням концентраци домiшок бшя дис-локацiй. При цьому по досягненш межi розчинностi поблизу ядра дислокацп можуть утворитися дисперснi видшення друго! фази (карбiдiв), якi е анодами i прово-кують активiзацiю корозiйних процесiв [8]. При цьому на поверхш металу спостерiгаеться утворення велико! юлькост дрiбних роз'еднаних уражень (птнпв), якi в окремих мкцях зливаються, утворюючи виразки.
На пiдставi отриманих даних для металорукавiв, що виготовляються зi сталi аустенiтного класу ЛК1 316, з метою зниження схильнос^ до корозiйного руйну-вання (птнгово! корозп) рекомендуеться проведення вщпуску для зняття внутршшх напружень при темпе-ратурi 200 0С протягом 60 хв.
В робот дослщжено вплив пластично! деформацii сталей Л^1 304 i AISI 316 на !х корозiйну стiйкiсть в 60 %-му розчиш хлориду натрiю, осшльки саме в цьому середовишд електрохiмiчна корозiя обох сталей протжае найбiльш iнтенсивно.
Попередньо зi штрипсу були вирiзанi зразки i вста-новленi в спецiально пiдготовленi захвати. Шсля цьо-го зразки встановлювалися у розривну машину i роз-тягувалися. При цьому ступiнь деформацп становила 20, 40, 60 i 80 %.
В табл. 1 представленi результати дослiдження змь ни втрат маси зразюв аустенiтних сталей в залежност вiд ступеня деформацп.
В ходi аналiзу результатiв дослщжень встановлено, що вплив пластично! деформацп на корозшну стш-кiсть сталей Л^1 304 i AISI 316 неоднозначний.
При малих i середшх ступенях пластично! деформа-цГ1 (20-40 %) мае мюце посилення початково! анодностi меж внаслiдок накопичення на них енерги деформацп. Внаслiдок локального анодного розчинення в зонах ко-розшно-активних шляхiв, наявних в металi ще до при-кладення напружень (межi зерен, скупчення дислокацiй, пошкодження плiвки i т. д.), або виникаючих пiд дiею при-кладених напружень (розриви на плiвках, концентращя напружень у початкових мiкротрiщинах), утворюються мiкровиразки, якi в результатi сшльно! дп напружень i корозiйного середовища розвиваються в мiкротрiщини.
Таблиця 1
Вплив ступеня деформаци зразкiв сталей 304 i AISI 316 на !х корозiйну стiйкiсть
Стушнь деформаци £, % Втрата маси Дт, г
Л1Б1 304 Л151316
Без деформаци 0,16 0,11
20 0,19 0,16
40 0,23 0,19
60 0,20 0,14
80 0,27 0,21
Рис. 6. Макроструктура i загальний вигляд зразмв сталi AISI 316, вщпущених при температурi 200 °С при рiзному часi витримки, пiсля корозшних випробувань в 60 %-му розчин хлориду натрiю
Метал на дш мiкровиразки бiльш негативний у порiвняннi з оточуючим, тому вiдбуваеться його переважне розчинення, що сприяе поглибленню мжровиразки i появi концентраци напружень. Концентрацiя напружень, у свою чергу, зрушуе потенцiал металу на дш мiкровиразки в бшьш нега-тивну сторону, тим самим, сприяючи прискоренню анодного розчинення i збiльшенню концентраци напружень до певних критичних значень, коли мжровиразка перетворюеться на мжротрщину, здатну перерости у макротрщину.
Подальше збшьшення ступеня деформацп до 60 % приводить до декон-центрацп енергп у зв'язку з тим, що де-
формащя захоплюе все зерно, що, в юнцевому тдсумку, може привести до невеликого тдвищення корозшшл стшкость
Зi збiльшенням ступеня деформацп до 80 % спосте-рiгаеться збiльшення втрат маси зразюв дослiджених сталей внаслщок пiдвищення щiльностi дислокацiй i зб^ьшення концентрацп напружень II роду, що ш-тенсифiкують розвиток корозiйних процеив. Вiдомо, що зони з тдвищеною щiльнiстю дислокацiй хiмiчно активнiшi у зв'язку з наявшстю хмар домшкових i роз-чинених атомiв, що активiзуе корозiйнi та сорбцiйнi процеси в цих зонах [8].
Таким чином, при конкретному аналiзi, зважаючи на неоднозначний вплив пластично! деформацп, необ-хiдно враховувати природу металу i середовища, дефор-мацiйно-силову схему, ступшь i умови деформування.
6. Обговорення результаив дослщження впливу режимiв TepMi4Hoï обробки i ступеня пластично!' деформацп на структурш перетворення та корозшну стiйкiсть сталей AISI 304 i AISI 316
Рукава металевi для транспортування природного газу виготовляються за допомогою мiкроплазмового зварювання i наступною деформацiею в гофру зада-ного дiаметра. Характер корозiйних пошкоджень i мiсця '^х розташування (далеко вщ зварного шва та ЗТВ) дозволяють зробити висновок, що при виконанш зварювальних робiт несприятливих змш в металi зварного шва i бiляшовноí зони не виникае. Пошкодження спостерiгаються не по всш поверхнi виробу, а в най-бiльш дефектних зонах з високим рiвнем залишкових напружень - мiж ребрами жорсткостi (гофрами).
Основною причиною пошкодження рукавiв мета-левих з неiржавiючоí сталi А181 304 i А181 316 е нестш-юсть цих сталей проти пiтiнговоí корозп. Додатковими факторами, яю можуть сприяти птнгоутворенню та iншим локальним видам корозп, е вид^ення карбiдiв по межах зерен i утворення двшниюв при виготовлен-нi рукавiв, а також умови експлуатацп та збер^ання.
Вiдомо [8], що корозiйне руйнування металiв i сплавiв iнiцiюеться утворенням анодних д^янок зi зниженим електрохiмiчним потенцiалом. Мiсцевi аноднi дiлянки i корозiйно-активнi шляхи можна роз-д^ити на початковi, якi вже е в металi без напруженого стану, i тi, що виникають пiд дiею напруженого стану. До першоí групи належать мiкроструктурна i хiмiчна неоднорiдностi сплаву, межi зерен, дефекти Гратки та структури (дислокацп, íх скупчення, мжрозбагачен-ня розчинених атомiв на дефектах кристалу), мiсцевi порушення плiвки, початковi мiкротрiщини. До другоí групи - дефекти Гратки у вктря трiщини, мжросе-грегацii атомiв розчиненого компонента на рухомих дефектах Гратки у вктря трiщини, новi корозшно-не-стiйкi фази, що зароджуються при деформацп у вштря трщини, дiлянки пiд розривами плiвки, яю утворю-ються при деформацп металу.
Утворення птнпв на поверхш неiржавiючих сталей ввдбуваеться, переважно, бiля частинок неметалiчних включень, насамперед, оксидiв i карбiдiв, а також скуп-ченнях дислокацш i дефектах мехашчшл обробки. Птнг починаеться iз зародження канавки близько включення,
3i збiльшенням яко'1 спочатку вiдбуваeться вiддiлення, а шсля i поступове руйнування включення. Поверхня птнгу розчиняеться в корозiйноï середовищд 3i швид-кiстю кiлька тисяч моношарiв на секунду, на ввдмшу вiд прилегло! областi металу [9]. Слвд зазначити, що вираз-кова корозiя надзвичайно небезпечна, оскiльки при ма-лих втратах маси метал тддаеться глибоким ураженням та в короткий термш призводить до нас^зних дефектiв.
Одним з ефективних способiв зниження рiвня вну-трiшнiх напружень в сплавах е термiчна обробка. У зв'язку з цим в робоп дослвджено вплив вiдпуску в iнтервалi 250-750 oC (т=30 хв.) на корозшну стшюсть сталей аустештного класу AISI 304 i AISI 316 в рiзних корозiйних середовищах. Встановлено, що корозшна стiйкiсть зразюв обох сталей змшюеться неоднозначно. Так, максимальна швидюсть корозiйного руйнування спостертеться в зразках пiсля вiдпуску при температурах 350, 650 i 750 oC, а мжмальна - при 550 oC. При цьому найменшими втратами маси характеризуються зразки сталi з мiкродобавками молiбдену (AISI 316). Проте змша кольору виробiв унеможливлюе прове-дення тако! термообробки. У зв'язку з цим в робоп до-слiджено вплив вщпуску при температурi 200 oC при рiзному часi витримки в iнтервалi 30-120 хв. на корозшну стiйкiсть неiржавiючоï сталi аустенiтного класу AISI 316 в 60 %-му розчиш хлориду натрт. Встановлено, що корозшна стшюсть зразюв сталi AISI 316 змшюеться неоднозначно. Так, мжмальна швидюсть корозшного руйнування спостертеться в зразках шсля низького вщпуску при чаи витримки 60 хв., а максимальна - при чаа витримки 90 хв. i бшьше. Зниження швидкост корозшного руйнування сталi AISI 316 шсля проведення вщпуску при 200 °С протя-гом 60 хв. обумовлено зниженням пружно-пластично! неоднорщносп металу i зниженням рiвня внутрiшнiх напружень.
Слiд зазначити, що запропонований режим термообробки металорукавiв зi сталей AISI 304 i AISI 316 тдтвердив свою ефективнiсть у виробничих умовах.
У робот встановлений неоднозначний вплив ступеня деформацп на схильшсть до корозшного руйнування сталей AISI 304 i AISI 316. З одного боку, зб^ь-шення ступеня деформацп з 20 до 40 %, зб^ьшуючи щдльшсть дислокацш i приховану енерпю деформацш WII, зб^ьшуе схильнiсть металу як до мехашчно-го руйнування, так i, внаслщок пiдвишення хiмiчноï активностi, - до корозiйного руйнування. З шшого боку, при даному загальному рiвнi прихованоï енергiï деформацп iмовiрнiсть локального руйнування тим бшьше, чим бiльше неоднорiднiсть пластичноï деформацп як у межах зерен, так i мiжзеренноï [8], тобто, чим б^ьше неоднорщшсть i концентращя напружень II роду, ймовiрнiсть розтршкування тим менше, чим менше неоднорщшсть, навiть при високiй шiльностi дислокацш (е=60 %).
Перспективним напрямом подальших дослiджень е дослiдження впливу температури i часу вщпуску попе-редньо деформованих з рiзним ступенем зразюв аусте-нiтних сталей на '¿х корозiйну стiйкiсть в агресивних середовищах, осюльки пошук оптимального режиму термiчноï обробки металовиробiв з неiржавiючих сталей стосовно конкретних умов виготовлення, експлу-атацiï та зберiгання е вельми актуальним завданням.
7. Висновки
Проведеними дослщженнями щодо впливу ре-жимiв TepMi4Hoï обробки на структуру i корозiйну стiйкiсть аустештних неiржавiючих сталей в рiзних агресивних середовищах встановлено, що найвищим опором корозшному руйнуванню володiють зразки сталей AISI 304 i AISI 316 шсля вщпуску при темпера-турi 550 oC протягом 30 хв. Проте змша кольору зраз-юв унеможливлюе проведення дано'1 термообробки. У зв'язку з цим було дослщжено вплив часу витримки в iнтервалi 30-120 хв. при низькотемпературному вщпуску (Т=200 oC) на корозшну стшюсть дослщжува-них сталей. Встановлено, що мжмальна швидкiсть корозiйного руйнування зразюв спостерiгаeться пiсля низькотемпературного вщпуску при витримщ протя-гом 60 хв., що обумовлено зниженням пружно-плас-тично'1 неоднорщносп металу i зниженням рiвня вну-трiшнiх напружень.
Встановлений неоднозначний вплив ступеня пластич-но'1 деформацп на схильшсть до корозiйного руйнування сталей AISI 304 i AISI 316 в розчиш хлориду натрт Показано, що ймовiрнiсть корозшного руйнування тим менше, чим менше неоднорщшсть, навггь при високiй щiльностi дислокацш (е=60 %).
В роботi розроблеш рекомендацiï щодо вибору режиму термiчноï обробки аустенiтних сталей, який забезпечуе пiдвищення '1х корозiйноï стiйкостi. На пiдставi проведе-них дослiджень для металорукавiв, що виготовляються зi сталей AISI 304 i AISI 316, з метою зниження схильносп до корозшного руйнування (птнгово'! корозп) рекоменду-еться проведення вщпуску для зняття внутршшх напружень при температурi 200 oC протягом 60 хвилин.
Результати дослщжень можуть бути застосоваш для пiдвищення довговiчностi зварних металевих рукавiв, компенсаторiв та iнших деталей з аустештних сталей, що виготовляються за допомогою пластично'1 деформацп, на багатьох пщприемствах Украши.
Лiтература
1. Ziemniak, S. E. Corrosion behavior of 304 stainless steel in high temperature, hydrogenated water [Text] / S. E. Ziemniak, M. Hanson // Corrosion Science. - 2002. Vol. 44, № 10. - P. 2209-2230. doi:10.1016/s0010-938x(02)00004-5
2. Zhang, Q. Observation by atomic force microscope of corrosion product during pitting corrosion on SUS304 stainless steel [Text] / Q. Zhang, R. Wang, M. Kato, K. Nakasa // Scripta Materialia. - 2005. - Vol. 52, № 3. - P. 227-230. doi:10.1016/j.scriptamat.2004.09.024
3. Garcia, C. Pitting corrosion behaviour of PM austenitic stainless steels sintered in nitrogen-hydrogen atmosphere [Text] / C. Garcia, F. Martin, P. de Tiedra, L. G. Cambronero // Corrosion Science. - 2007. - Vol. 49, № 4. - P. 1718-1736. doi:10.1016/j.corsci.2006.10.009
4. Tsutsumi, Y. Pitting corrosion mechanism of Type 304 stainless steel under a droplet of chloride solutions [Text] / Y. Tsutsumi, A. Nishikata, T. Tsuru // Corrosion Science. - 2007. - Vol. 49, № 3. - P. 1394-1407. doi:10.1016/j.corsci.2006.08.016
5. Abreu, C. M. Long-term behaviour of AISI 304L passive layer in chloride containing medium [Text] / C. M. Abreu, M. J. Cristobal, R. Losada, X. R. Nôvoa, G. Pena, M. C. Pérez // Electrochimica Acta. - 2006. - Vol. 51, № 8-9. - P. 1881-1890. doi:10.1016/j.electacta.2005.06.040
6. Wang, R. Influence of ultrasound on pitting corrosion and crevice corrosion of SUS304 stainless steel in chloride sodium aqueous solution [Text] / R. Wang // Corrosion Science. - 2008. - Vol. 50, № 2. - P. 325-328. doi:10.1016/j.corsci.2007.11.001
7. Lû, G. Effect of Strain and Chloride Concentration on Pitting Susceptibility for Type 304 Austenitic Stainless Steel [Text] / G. Lu, H. Cheng, C. Xu, Z. He // Chinese Journal of Chemical Engineering. - 2008. - Vol. 16, № 2. - P. 314-319. doi:10.1016/s1004-9541(08)60080-4
8. Стеклов, О. И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах [Текст] / О. И. Стеклов. - М. : Машиностроение, 1976. - 200 с.
9. Алiмов, В. I. Корозiя та захист меташв вщ корозп' [Текст] / В. I. Алiмов, З. А. Дурягша. - Донецьк-Львiв : ТОВ «Схщний видавничий дам», 2012. - 328 с.
10. Новиков, И. И. Дефекты кристаллического строения металлов [Текст] / И. И. Новиков. - М. : Металлургия, 1975. - 208 с.
