CC BY
22
УДК 62
ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
А. В. Хорин1, П. И. Захарова2, К. Д. Куликов3
1'2'3Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1А1ехко [email protected] [email protected] [email protected]
Аннотация. Рассмотрены проблемы современности, связанные с коррозией металлов. В качестве решения проблемы был предложен и рассмотрен новый коррозионно-стойкий материал, а также выявлен наиболее эффективный метод его получения.
Ключевые слова: сварка взрывом, многослойный материал, коррозия, питтинг
Финансирование: работа выполнена в рамках конкурса «Ректорские гранты» Пензенского государственного университета, договор № ХП-269/22 от 01.04.2022.
Для цитирования: Хорин А. В., Захарова П. И., Куликов К. Д. Перспективный материал для защиты от коррозионного воздействия // Вестник Пензенского государственного университета. 2022. № 4. С. 125-132.
Современный мир характеризуется стремительным развитием в таких отраслях промышленности, как транспортная, химическая, энергетическая, атомное машиностроение, судо- и авиастроение, требующим усовершенствования имеющихся и создания абсолютно новых материалов, которые способны сочетать в себе комплекс различных свойств. К данному виду относится композиционный материал, который характеризуется следующими признаками: состоит из двух и более компонентов с сильно различающимся химическим составом и четкой границей раздела; обладает свойствами, которые не присущи компонентам, из которых он состоит [1].
Во всех вышеперечисленных отраслях существует проблема, которая является наиболее актуальной, - коррозия.
Под коррозией понимают саморазрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой [2].
Нерешенность ряда существующих коррозионных проблем оказывает значительное влияние на техническое развитие множества отраслей промышленности.
Наиболее остро данный вопрос встает в индустриально развитых странах с высокими показателями суммарного объема металла, который находится на территории государства. Еще одним немаловажным фактором, влияющим на уровень актуальности рассматриваемого вопроса, является повышенный уровень спроса на материалы с высокими показателями прочности, способные работать в весьма агрессивных средах при значительных значениях температуры и давления.
Перечисленные условия использования материалов приводят к резкому увеличению удельного веса потерь металлов. Возникновение такого отрицательного эффекта вызвано коррозионным воздействием.
© Хорин А. В., Захарова П. И., Куликов К. Д., 2022
Потери от влияния коррозии подразделяются на прямые и косвенные. К прямым потерям относятся фактическая потеря металла, расходы, связанные с обеспечением защиты изделий от коррозионного воздействия и приобретением нового оборудования. Второй вид потерь от коррозии включает расходы, возникающие вследствие простоя оборудования, снижение мощностных показателей конструкций и т.д.
Анализ различных источников показал, что все промышленные страны терпят значительные убытки от коррозии. Так, например, в США, Великобритании и Германии данные затраты составили 1,1 трлн долл., что соответствует 3 % от ВВП. В других странах этот показатель составляет 4 % от ВВП. Коррозионное воздействие приводит к потере металла путем выхода оборудования и конструкций из строя. Процент данных потерь составляет около 20 % от годового производства стали.
В Российской Федерации на сегодняшний день подобной статистики на официальном уровне не ведется. Однако специалистами других стран были выдвинуты приблизительные показатели по ущербу от коррозии, которые составили около 5 % ВВП.
Из всего многообразия видов коррозионного воздействия наиболее опасным признается питтинговая коррозия, ведущая к образованию питтингов, т.е. язв, полостей в металле, начинающихся с его поверхности.
Питтинговая коррозия, как правило, наблюдается у пассивирующихся материалов, т.е. таких материалов, у которых на поверхности образуется защитная пленка.
Питтингообразование и его дальнейшее развитие возможны при наличии ряда факторов:
- неоднородность химического состава металла или сплава;
- шероховатость поверхности;
- структурные несовершенства;
- неметаллические включения.
Для того чтобы произошло питтингообразование, необходимо, чтобы выполнились два основных условия [3]:
1. Смещение электрохимического потенциала металла положительнее некоторого критического значения.
2. Наличие окислителей и активирующих ионов.
Темпы развития многих отраслей промышленности во многом зависят от решения проблем коррозионной защиты оборудования и сооружений.
Решение выше рассмотренных проблем направлено на создание и разработку эффективных методов защиты и новых материалов, обладающих повышенным ресурсом работы в агрессивных средах.
Предлагаемым инновационным решением коррозионной проблемы является разработка металлического композиционного материала 12Х18Н10Т-М1-12Х18Н10Т. Материал представляет собой лист, который состоит из трех слоев: первый и третий слои представлены нержавеющей сталью аустенитного класса 12Х18Н10Т, второй слой -медным сплавом М1, который в своем составе имеет 99,9 % меди. Толщина каждого слоя - 2 мм. Общая толщина разрабатываемого материала - 6 мм. Отличительная особенность данного материала состоит в полной пассивации процесса питтинговой коррозии за счет разницы электрохимических потенциалов нержавеющей стали и меди. Для того, чтобы оценить композиционный материал с эксплуатационной точки зрения, необходимо дать характеристику его компонентам.
На основании ГОСТ 5632-14 сталь 12Х18Н10Т относится к хромоникелевым сталям аустенитного класса. Стали данной группы за счет наличия хрома в большом количестве (18 %) обладают повышенной коррозионной стойкостью во многих агрес -сивных средах (исключением являются серосодержащие), жаростойкостью и жаро -прочностью.
Содержание никеля в данной стали составляет от 9 до 12 %. Такой процент данного металла необходим для того, чтобы получить аустенитную структуру с присущими ей свойствами.
Титан выступает в роли карбидообразователя, что позволяет предотвратить риск возникновения межкристаллитной коррозии1.
Сплав М1 производится по ГОСТ 859-2001.
Медь относится к числу металлов, обладающих высокой электропроводностью, что делает данный металл незаменимым при производстве электропроводящего оборудования (проводников). Еще одним преимуществом меди при производстве проводников различного сечения является его плотность, которая равна 8,92 г/см3 2.
В настоящее время получаемый композит по степени коррозионной защиты превосходит имеющиеся материалы. Наиболее близким по составу является материал, у которого механизм защиты от воздействия агрессивной среды основан на протекторной питтинг-защите. Основное отличие данного материала от разрабатываемого заключается в том, что протекторная питтинг-защита не останавливает коррозионный процесс полностью, как это происходит в материале системы 12Х18Н10Т-М1, а переводит из питтинговой в общую коррозию.
В коррозионно-стойких моно- и биметаллах также не происходит полной остановки коррозии, в результате чего конструкция со временем начинает разрушаться.
Разрабатываемый материал за счет процесса пассивации (разности электрохимических потенциалов) подавляет образование и рост питтингов. Из данного преимущества вытекает следующее, которое заключается в экономической целесообразности использования материала 12Х18Н10Т-М1-12Х18Н10Т.
Срок эксплуатации монометаллов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и коррозионно-стойких биметаллов сокращается до шести месяцев при их использовании в агрессивных средах. С экономической точки зрения использование указанных материалов ведет к увеличению материальных затрат на текущий и капитальный ремонт, пуско-наладочных работ при замене аппаратов.
Более целесообразным является применение нового металлического композиционного материала, который будет сочетать в себе требуемые механические свойства, необходимую коррозионную стойкость и обеспечит безопасную эксплуатацию оборудования в агрессивных средах на срок, многократно превышающий имеющийся.
Материалы, которые содержат два или более слоев различного состава, могут быть получены по различным технологиям, к которым относятся [4]:
- литейное плакирование;
- горячая пакетная прокатка;
- холодное плакирование;
- сварка взрывом;
- наплавка.
Одним из наиболее распространенных и высокоэффективных способов получения материалов с двумя и более слоями является метод, в котором основой получения соединения является энергия взрыва (сварка взрывом).
Источник энергии - взрывчатое вещество (ВВ). В результате инициирования по ВВ распространяется фронт детонации, в котором происходит разложение на газообразные продукты. Возникает скачок давления, за счет которого происходит увеличение скорости метаемой пластины и, как следствие, ее соударение с неподвижной пластиной. Данный
1 ГОСТ 5632-72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. М. : Изд-во стандартов, 1972. 61 с.
2 ГОСТ 859-2001. Медь. М. : Изд-во стандартов, 2001. 3 с.
процесс приводит к пластической деформации металлов и в конечном итоге к образованию прочного соединения пластин между собой [5].
Сварка взрывом по сравнению с другими способами, используемыми при получении многослойных металлических материалов, имеет ряд преимуществ [6]:
1. Возможность получения соединений как из однородных, так и разнородных металлов и сплавов, в том числе с резко отличающимися свойствами.
2. Изменение химического состава основного и плакирующего слоя не происходит.
3. Возможность соединения материалов, образующих хрупкие интерметаллидные соединения.
4. Возможность получения соединений с достаточно большой площадью, которая может достигать до 30 м2, и толщиной плакирующего слоя, которая может варьироваться от долей миллиметра до нескольких миллиметров.
5. Получение материала осуществляется за один цикл.
6. Необходимость в использовании дорогостоящего оборудования отсутствует.
7. Сравнительно невысокая стоимость материалов, необходимых для осуществления сварки взрывом, и низкий уровень энергозатрат.
8. Возможность получения не только плоских заготовок, но и цилиндрических, а также плакирование криволинейных поверхностей.
Все физические явления, возникающие в процессе сварки взрывом, структура и свойства полученных заготовок, как правило, являются зависимыми величинами. Они взаимосвязаны с основными параметрами сварки взрывом, которым делят на две группы. Первая группа - это кинематические параметры. В нее входят три величины:
1) скорость движения точки контакта Ук,
2) угол соударения у;
3) скорость метания пластины Уо.
Вторая группа - физические параметры, в которую входят давление Р, длительность соударения т, температура соударения Т.
Перечисленные группы параметров определяют два начальных (технологических) параметра процесса производства многослойных металлических материалов сваркой взрывом:
- скорость детонации Д которая является непосредственной характеристикой заряда взрывчатого вещества (ВВ);
- безразмерный параметр г, определяемый как отношение массы заряда ВВ (твв) к массе метаемой пластины (тпл); при условии, что площади заряда и пластины равны:
где 60, р0 - толщина и плотность заряда взрывчатого вещества; б1; рг- толщина и плотность метаемой пластины.
Скорость движения точки контакта Ук (первый кинетический параметр) характеризует скорость распространения зоны высокого давления по свариваемым поверхностям. В случае если пластины по отношению друг к другу располагаются параллельно, то выполняется условие равенства скорости движения точки контакта и скорости детонации:
Для того чтобы при сварке взрывом обеспечить сцепление слоев между собой, необходимо, чтобы выполнилось условие
УРо 5гР1 '
(1)
Ук = Б.
(2)
Ук < Со,
(4)
где С0 - скорость звука в соединяемых металлах; Е - модуль Юнга материала, МПа; р - плотность материала, кг/м3.
В случае, если выше рассмотренное условие не выполняется, наблюдается отсутствие пластической деформации, что приводит к образованию таких дефектов, как трещины.
Угол соударения является вторым кинематическим параметром. Для его определения вводят третий кинематический параметр - скорость метания пластины У0.
уо = 1)2.0.1ШШ-1, (5)
0 ^1+(32/27>г+1 ' ^
где 1,2 - коэффициент, позволяющий получить совпадение экспериментальных и расчетных значений скоростей с точностью порядка 20 %.
Расход удельной кинематической энергии метаемой пластины в процессе ее соударения с неподвижной при различных схемах СВ рассчитывается как сумма энергий :
щ = ЩХ + Щ2 + w3. (6)
При этом Ж для плоскопараллельной схемы определяется массой и скоростью метаемой пластины:
Ж = ^ч (7)
Энергия, которая необходима для осуществления сварки двух металлических пластин и затраченная на пластическую деформацию слоев (ЖО, которая влияет и определяет свойства сварного соединения, находится из энергетического баланса:
™1=Т§+Ъ> (8)
^^^•М®] (9)
= шгш2 _ ^ _ VI, (10)
3 2 ■(т1+т2) с Со2' 4 '
^ср = (Ш1 • Ш2)/(Ш1 + Ш2), (11)
т1 = р1 • 51 • У1, (12)
^2 = Р2 • 62 • ^2. (13)
где Ж - удельная (отнесенная к единице площади сварного соединения) кинетическая энергия соударения свариваемых элементов; Ж - удельная кинетическая энергия сваренной системы; Ж - удельная энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию металла; Ж - удельная энергия, затрачиваемая на суммарный унос металла из вершины угла встречи соударяющихся элементов; т2 - масса первой и второй метаемых пластин.
В случае если во время сварки взрывом использовалась схема параллельного расположения листов между собой, то после соударения метаемой и неподвижной пластин образованный двухслойный пакет движется со скоростью пакета Уп, которая определяется из закона сохранения количества движения:
Уп = р^2-. (14)
' т1+т2
Под действием продуктов детонации пластина, первоначально установленная под углом а, поворачивается на угол в, а угол соударения, который складывается из двух рассмотренных углов у = а + в, определяется как
Y = 2arcsin^0. (15)
Отсюда скорость точки контакта определяется из выражения
V_Dsin(y-a). (16)
sin у
При осуществлении расчетов был произведен выбор ВВ (игданит) и его высоты (35 мм). Согласно открытым источникам плотность игданита составляет 740 кг/м3. Выяснено, что скорость точки контакта при плоскопараллельной схеме равна скорости детонации (2040 м/с). Плотность нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т составляет 7920 кг/м3, медного сплава М1 - 8940 кг/м3.
Перед осуществлением взрывных работ был сделан расчет основных кинетических показателей:
0,035 • 740 „ , .
г = —-= 1,64;
0,002 • 7920 '
Ук = 2040 м/с;
= 1,2 . 2040 • f+(32/27) • гб4 - 1 = 645,2 м/с;
1 Vl+(32/27) • 1,б4 + 1 ' '
б45,2
Y = 2arcsin-= 18,42 .
' 2•2040 "
Для расчета скорости пакета необходимо найти массу пластин:
т1 = 7920 • 0,74 • 0,002 = 11,72 кг; т2 = 8940 • 0,74 • 0,002=13,23 кг;
11,72 • 645,22 ,
^2 = ^ 11,72 + 15,23 = 442,2 м/с;
442,2
Y = 2arcsin-= 12,62 .
' 2•2040 '
Скорость звука в свариваемых металлах [3]:
J1 • 1 А-
i9^- = 5000 м/с;
со(М1) = = 3784 м/с.
На основании расчетов можно сделать вывод, что взрывчатое вещество выбрано верно, так как скорость звука в свариваемых материалах выше скорости движения точки контакта.
Контроль качества соединения слоев проводится ультразвуковым методом, который относится к универсальным способам неразрушающего контроля. Основное преимущество данного способа заключается в том, что при осуществлении контроля разрушения и повреждения исследуемого образца не происходит.
Для осуществления УЗ контроля нового коррозионно-стойкого композиционного материала необходимо [7]:
- разработать методики и операционные технологические карты ультразвукового контроля;
- разработать нормативно-техническую документацию на изготовление стандартных образцов предприятий (СОП) из новых многослойных композиционных материалов;
- изготовить СОП из новых многослойных композиционных материалов для настройки дефектоскопа.
Выполнение перечисленных работ осуществляется студентами Пензенского государственного университета и их руководителем.
К основным отраслям промышленности в Российской Федерации, потребляющим коррозионно-стойкие монометаллы и многослойные металлические композиционные материалы, относятся атомная (ГК «Росатом», «Атоммаш», АЭС и т.д.), химическая («Сибур», «Нижнекамскнефтехим» и другие) и нефтегазовая («Газпром», «Амурский газоперерабатывающий завод» и т.д.).
География расположения потенциальных потребителей весьма широка. Она ориентирована на месторасположение АЭС в стране и нефтегазодобывающей промышленности [2].
В данной работе были рассчитаны основные параметры сварки взрывом: г = 1,64, Ук = 2040 м/с, Уг = 645,2 м/с, у = 18,42 У12 = 442,2 м/с, у = 12,62 ; рассчитана скорость звука в свариваемых металлах: со(12Х18Н10Т) = 5000 м/с, с0(М1) = 3784 м/с.
Студентами кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение» и их научным руководителем в рамках конкурса «Ректорские гранты» проведены исследования образцов нового коррозионно-стойкого материала методом ультразвукового контроля.
Список литературы
1. Кутенева С. В. Структура и свойства полученных сваркой взрывом и пакетной прокаткой слоистых композитов на основе низкоуглеродистых сталей, меди, алюминия и его сплавов : дис. ... канд. техн. наук (19.12.2018). М., 2018. 145 с.
2. Родионова И. Г. Коррозионно-стойкие биметаллы с прочным сцеплением слоев для нефтехимической промышленности и других отраслей: дис. ... д-ра техн. наук (05.16.01). М., 2019. 215 с.
3. Лось И. С., Перелыгин Ю. П., Розен А. Е., Киреев С. Ю. Многослойные коррозионно-стойкие материалы : монография. 2-е изд., доп. Пенза : Изд-во ПГУ, 2015. 128 с.
4. Лось И. С., Крюков Д. Б., Хорин А. В. Медно-алюминиевые материалы, полученные сваркой взрывом // Сварка взрывом и свойства сварных соединений : межвуз. сб. науч. тр. Волгоград : Изд-во Волгоград. гос. техн. ун-та, 2010. Вып. 4. 68 с.
5. Способ получения композиционного материала : пат. 2522505 Российская Федерация: МПК В32В 7/04, В32В 15/01, В32К 20/08/ Розен А. Е, Крюков Д. Б., Хорин А. В. [и др.]; заявитель и патентообладатель ООО ИТЦ «Сварка» - № 2013119389/0; заявл. 26.04.2013; опубл. 20.07.2014, Бюл. № 20 (II ч.). 9 с.
6. Первухин Л. Б., Розен А. Е., Крюков Д. Б. [и др.]. Комплексные технологии получения композиционных материалов нового поколения // Металлургия: Технологии, управление, инновации, качество : сб. тр. конф. Новокузнецк : Изд-во Сибир. гос. ун-та, 2014.
7. Киселев В. И. Анализ метода ультразвукового контроля качества сварных соединений, как одного из основных для обеспечения промышленной безопасности производственных объектов // Ползуновский альманах. Барнаул : Изд-во Алтайского гос. техн. ун-та, 2015. Вып. 4. С. 20-22.
Информация об авторах
Хорин Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение», Пензенский государственный университет.
Захарова Полина Ильинична, студентка, Пензенский государственный университет. Куликов Кирилл Дмитриевич, студент, Пензенский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
