CC BY
18Водородная энергетика и транспорт
Конструкционные материалы
Hydrogen energy and transport Structural materials
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ jf НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ \
а ^
п:
Л. А. Ефименко, A.B. Сидоренко, Ю.С. Иванова, Я. А. Сарафанова |
си
Ь
РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина |
Ленинский пр., 65, г. Москва, 119991, Россия |
Тел.: (095) 930-92-17; факс: (095) 120-74-80; e-mail: alxs@inbox.ru 3
о
Сведения об авторе: кандидат техн. наук. Образование: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина (2001 г.). Область научных интересов: восстановление, упрочнение поверхностей; газотермические методы нанесения покрытий; вопросы защиты от коррозии; стойкость сталей к воздействию водородосодержащих сред. Публикации: 7 печатных работ.
Сидоренко Алексей Викторович
In this article there is given an evaluation of hydrogen embrittlement of low-carbon steels, using 20YuCh steel as example.
It is shown the ability to apply special procedures, which allow to increase the informativity of results after investigation.
The investigations have shown that as a result of HE the metal plasticity indexes, i.e. the relative narrowing y and the relative elongation 8B, have reduced by 41 % and 30 % respectively, and the fracture micromechanism varied from practically viscous (for non-hydrogen-charged samples) to preferably brittle with 20-25 % of the intergrain fracture.
Введение
Водородное охрупчивание (ВО) — одна из наиболее распространенных причин преждевременных разрушений сварных конструкций неф-тегазохимического оборудования. ВО особенно проявляется при эксплуатации на месторождениях с повышенным содержанием сероводорода, несмотря на то, что при изготовлении оборудования для этих месторождений используют специальные углеродистые стали, легированные редкоземельными элементами [1].
В настоящее время для определения степени водородного охрупчивания применяется метод замедленного растяжения образцов типа 4 по ГОСТ 1497-87 до и после их наводораживания (рис. 1). Степень ВО оценивают по снижению относительного сужения ¥ и относительного удлинения §5, которые определяют по формулам:
Д¥ =-5-100 %,
¥
с _с
Д85 = 8 -°5н 100 %,
5 8,
(2)
где §5 и §5н, ¥н и ¥ — относительное удлинение и относительное сужение соответственно наво-дороженного и ненаводороженного образцов, которые определяют с использованием диаграмм деформирования.
J? 6,5-Ho O" ä ÎL je ts¥o Щ/ \......
25;ч
IS" - 45 ,
(1)
Рис. 1. Образец для испытаний на замедленное растяжение
Л. А. Ефименко, A.B. Сидоренко, Ю. С. Иванова, Я. А. Сарафанова Оценка степени водородного охрупчивания низкоуглеродистых сталей
Изменение пластических характеристик материала определяют также по результатам фрак-тографических исследований поверхностей разрушения изучаемых образцов.
Вместе с тем применяемая стандартная методика, изложенная выше, не позволяет оценить состояние материала с точки зрения развития и накопления микроповреждений, вызывающих потерю конструкционной прочности материала задолго до достижения временного сопротивления на разрыв. А кроме того, этот метод не позволяет оценить, как изменяется работа разрушения образцов при ВО. Поэтому для определения степени влияния среды на свойства материалов были применены специальные методики оценки степени ВО материла, предусматривающие использование точки деструкции D стали до и после наводораживания и анализ изменения величины работы разрушения, определяемой по площади под диаграммой деформирования стали.
Сущность методики заключается в следующем: полученные на самописце машинные диаграммы растяжения образцов были перестроены в истинные диаграммы деформирования (рис. 2), которые затем были линеаризованы в координатах с для облегчения выявления на них точки деструкции D (рис. 3). Точка деструкции позволяет оценить напряжение, опасное с точки зрения интенсивного или быстрого развития трещины в материале. Она также характеризует пластические свойства материала. Точка D отражает переход материала из упру-гопластической области в пластически-деструк-ционную, т. е. в область, где механизм формоизменения связан с микроразрушениями материала — его деструкцией.
Оценку работы разрушения образцов проводили по площади под кривой условно-истинной диаграммы деформирования (рис. 4), которую получали по методике определения объемной плотности энергии предельной деформации по результатам испытаний на одноосное растяжение цилиндрических или плоских образцов.
Материалы и методы исследования
Данная работа выполнена на стали 20ЮЧ — одной из наиболее распространенных марок стали — углеродистой, легированной церием. Из этих материалов была приготовлена серия образцов (рис. 1), часть которых подвергалась электролитическому наводораживанию в ячейке (рис. 5) в 0,1 н растворе серной кислоты с добавлением 1,5 г/л тиомочевины (стимулятор на-водораживания) при плотности катодного тока 50 мА/см2 [4, 5].
Сразу после наводораживания образцы испытывали на замедленное растяжение по ГОСТ 1497-87 при комнатной температуре на универ-
Истинная кривая
Стадия деформационного упрочнения
Упругая деформация
Рис. 2. Истинная диаграмма деформирования
а , кг/мм2
D^
л/5, :
Рис. 3. Диаграмма растяжения в координатах Оисг
W
0
Рис. 4. Условно-истинная диаграмма растяжения, используемая для определения объемной плотности энергии предельной деформации Шс
К источнику постоянного тока
Зажим
Образец-катод
Рис. 5. Схема ячейки для электролитического наво-дораживания
а
С
Е
Водородная энергетика и транспорт Конструкционные материалы
Таблица
Результаты оценки механических свойств исследуемых образцов
Материал Механические характеристики Дополнительные характеристики Вязкость/ хрупкость, % % Д§5, % ДОд, %
От, кг/мм2 Ов, кг/мм2 §5, % V, % н„ Od, кг/мм2 бд % Wc, МДж/м3
Ст20 до нав. 27,7 63,7 37 70 201 45 10 0,176 100/0 41 30 4,2
Ст20 после нав. 35,1 55,1 26 41,5 174 46,9 3,5 0,051 25/75
сальной машине FPz-100/l. Результаты испытаний сравнивали с данными, полученными при растяжении аналогичных образцов в исходном состоянии (см. табл.).
Как показали испытания на замедленное растяжение (см. табл.), в процессе наводоражи-вания наиболее существенно изменяются пластические характеристики металла исследуемых образцов. Например, относительное удлинение §5 стали 20ЮЧ уменьшилось на 30 %, а относительное сужение — на 41 %. Таким образом, несмотря на то, что сталь 20ЮЧ легирована редкоземельными элементами, она также проявляет склонность к ВО.
Это отражается и на положении точки деструкции. Точка D наглядно иллюстрирует динамику изменения свойств материала: снижение его пластичности после наводораживания.
Как видно из представленных данных, чем выше значение точки деструкции, тем выше охрупчивание материала, которое выражается в меньшей пластической деформации. В частности, при указанном снижении пластичности стали 20ЮЧ после наводораживания значение точки деструкции этой стали повышается, и, несмотря на то, что предел прочности этого материала ра-
вен 550 МПа, интенсивное развитие трещин наблюдается при 470 МПа.
Водородное охрупчивание проявляется в изменении микромеханизма разрушения материала. В связи с этим нами были изучены поверхности разрушения исследуемых образцов. Для этого проводилось электронно-фрактографичес-кое исследование методом угольных реплик на просвечивающем электронном микроскопе Tesla BS-500 с ускоряющим напряжением 90 кВ. С помощью вакуумного поста ЭВП-2 на поверхность излома проводили напыление углем. Реплику с поверхности металла отделяли электролитически в 10 %-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Долю составляющих в изломе определяли непосредственно в колонне электронного микроскопа планиметрическим методом. Приведенную долю межзеренной составляющей определяли как отношение доли меж-зеренной составляющей к суммарной доле хрупких составляющих.
При этом изменился микромеханизм разрушения материала. Как видно из приведенных фрактограмм (рис. 6), поверхность разрушения в исходном состоянии характеризуется практически вязким ямочным изломом. После наводо-
Рис. 6. Фрактограммы образцов: а — до наводораживания; б — после наводораживания
Л. А. Ефименко, А.В. Сидоренко, Ю. С. Иванова, Я. А. Сарафанова Оценка степени водородного охрупчивания низкоуглеродистых сталей
раживании поверхность разрушения характеризуется преимущественно хрупким микромеханизмом с 20-25 % межзеренного разрушения.
Выводы
Сопоставление значений работы разрушения образцов для стали 20ЮЧ до и после наводора-живания показало, что охрупчивание, вызванное воздействием водорода, даже при наличии всего 25 % межзеренного разрушения снижает значение работы разрушения образца на порядок.
Таким образом, показана возможность повышения информативности кривых растяжения, полученных по стандартной методике. Если линеаризировать диаграмму деформирования, то можно выявить на ней точку деструкции для изучения динамики изменения свойств материала: снижение его пластичности после наводора-живания. А если проанализировать изменение площади под кривой диаграммы деформирования, то можно дать количественную оценку снижения сопротивляемости материала водородному охрупчиванию.
Список литературы
1. Стеклов О. И., Басиев К. Д., Есиев Т. С. Прочность трубопроводов в коррозионых средах. Владикавказ: РИПП им. В. А. Гасиева, 1995.
2. Карпенко Г. В., Крипякевич Р. И. Влияние водорода на свойства стали. М.: Металлург-издат, 1962.
3. Мороз Л. С., Чечулин Б. Б. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1967.
4. Кондаков Н. К., Лейтес М. А., Жукова Е. Н., Сергеева Т. К. Особенности водородного охрупчивания сталей 06ХГР и 38ХА // Физико-химическая механика материалов. 1988. № 4. С.121-123.
5. Иржов Г. Г. Голованенко С. А., Сергеева Т. К. Сопротивление водородному охрупчива-нию сталей для магистральных трубопроводов // Физико-химическая механика материалов. 1982. № 3. С. 89-93.
6. Ефименко Л. А., Сидоренко А. В, Цих С. Г. Оценка склонности разнородных сварных соединений к водородному охрупчиванию // НТЖ: Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2002. №3. С. 30-31.
НОВОСТИ НАУКИ; И ТЕХНИКИ
норветил
начала эксперимент по объединению ветряной и водородной энергетики
На маленьком островке Utsira в Северном море появились первые во-дородно-ветряные энергетические установки, установленные компанией "Norsk Hydro". Они обеспечивают электричеством 250 местных жителей.
Это первый полномасштабный проект, в котором энергия ветра скомбинирована с энергией водорода.
Электролиз воды и хранение водорода в этих установках используется, чтобы хранить излишки энергии, когда ветер силён.
В моменты затишья водород направляется в топливные элементы, расположенные тут же — у ветряной "мельницы".
Испытательный период продлится 18 месяцев, за это время проект должен доказать жизнеспособность такой схемы обеспечения энергией удаленных поселков.
Хотя эта энергия, учитывая оборудование, вовсе недешева, норвежцы полагают, что подобные установки оправданы в удаленных местах, полностью зависящих от поставок энергии (или топлива) извне.
Проект нацелен также на обкатку данной технологии "на экспорт": Норвегия — третий экспортёр нефти и природного газа, после Саудовской Аравии и России — надеется утвердиться и как сильный игрок на рынке альтернативной энергии.
http://www.membrana.ru/lenta/
Церемония открытия ветряных водородных установок на острове Utsira
