CC BY
17
УДК 621.791.75:620.193
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2022-1-2-48-52
ПОВЫШЕНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ
INCREASING THE CORROSION RESISTANCE OF WELDED JOINTS FROM CARBON STEELS BY LASER ABLATION
Шрон Л.Б.1, Ягьяев Э.Э.2, Абхаирова С.В.2, Гумеров А.К.3
1 Севастопольский государственный университет, 299053, г. Севастополь, Республика Крым, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8030-9424, E-mail: shronlb@mail.ru
2 Крымский инженерно-педагогический университет им. Февзи Якубова, 295015, г. Симферополь, Республика Крым, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5113-5501,
E-mail: elmar1875@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6930-5417,
E-mail: sysana70@gmail.com
3 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9663-1098, E-mail: gumerov@list.ru
Резюме: В статье предложен метод повышения коррозионной стойкости сварных соединений из углеродистых сталей при облучении лазерными импульсами наносекундной длительности. Дана оценка коррозионной стойкости модифицированных поверхностей сварных швов. Проведен анализ микроструктуры поверхности сварных швов, свидетельствующий о питтинговой коррозии. Обнаружено, что обработанные лазером поверхности улучшили антикоррозионные свойства и обладают различной степенью защиты от коррозии в зависимости от типа нанорельефа. Показано, что процесс лазерной обработки позволяет целенаправленно изменять морфологию поверхности и физико-химические свойства стали с образованием супергидрофобных поверхностных и подповерхностных микро-и наноструктур.
Ключевые слова: коррозия, лазерная абляция, углеродистая сталь, сварные соединения.
Для цитирования: Шрон Л.Б., Ягьяев Э.Э., Абхаирова С.В., Гумеров А.К. Повышение коррозионной стойкости сварных соединений из углеродистых сталей методом лазерной абляции // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 1-2. С. 48-52.
DOI: 10.24412/0131-4270-2022-1-2-48-52
Leonid B. Shron1, Elmar E. Yagyaev2, Susana V. Abkhairova2, Aydar K. Gumerov3
1 Sevastopol State University, 299053, Sevastopol, Republic of Crimea, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8030-9424, E-mail: shronlb@mail.ru
2 Fevzi Yakubov Crimean Engineering and Pedagogical University, 295015, Simferopol, Republic of Crimea, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5113-5501, E-mail: elmar1875@gmail.com ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6930-5417, E-mail: sysana70@gmail.com
3 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9663-1098, E-mail: gumerov@list.ru
Abstract: The article proposes a method for increasing the corrosion resistance of welded joints made of carbon steels when irradiated with nanosecond laser pulses. An assessment of the corrosion resistance of modified surfaces of welded joints is given. The analysis of the microstructure of the surface of welded joints, which indicates pitting corrosion, is carried out. It has been found that laser-treated surfaces have improved anti-corrosion properties and have different degrees of corrosion protection depending on the type of nanorelief. It has been shown that the process of laser treatment makes it possible to purposefully change the surface morphology and physicochemical properties of steel with the formation of superhydrophobic surface and subsurface micro- and nanostructures.
Keywords: corrosion, laser ablation, carbon steel, welded joints.
For citation: Shron L.B., Yagyaev E.E., Abkhairova S.V., Gumerov A.K. INCREASING THE CORROSION RESISTANCE OF WELDED JOINTS FROM CARBON STEELS BY LASER ABLATION. Transport and storage of Oil Products and hydrocarbons, 2022, no. 1-2, pp. 48-52.
DOI: 10.24412/0131-4270-2021-5-6-48-52
Постановка проблемы
Надежность и долговечность конструкций во многом определяется стойкостью к воздействию природных кор-розионно-активных сред. Из многочисленных форм проявления коррозионных процессов для железоуглеродистых сплавов наиболее опасной является локальная коррозия, протекающая по электрохимическому механизму [1]. Как известно, скорость износа сварных соединений очень высока и достигает 1-3 мм/год, а материалы, подвергшиеся коррозии, восстановлению не подлежат и существующий расход, составляющий 15-30% от объема выплавленных сплавов, необходимо постоянно пополнять. Причиной электрохимической коррозии является термодинамическая неустойчивость сплавов в различных средах при данных внешних условиях. При этом в зависимости от
рН среды степень неравномерности разрушения участков поверхности металла имеет различный характер: в кислых средах чаще протекает равномерная коррозия, в нейтральных и щелочных растворах имеет место коррозия язвами, пятнами, питтингом, межкристаллитная коррозия чаще всего возникает в концентрированных растворах щелочей. Для борьбы с коррозией применяются различные методы, которые учитывают как свойства и структуру металлов и сплавов, так и условия эксплуатации готовых изделий [2].
Анализ литературы
Среди наиболее эффективных методов борьбы с коррозией можно назвать ингибирование, тормозящее зарождение и развитие трещин на поверхности металлов, использование различных неметаллических и металлических
покрытий, протекторную защиту, технологические мероприятия и т.п. [3-6]. Одним из перспективных способов защиты от коррозии является лазерная абляция. Под термином «абляция» в узком смысле обозначается процесс удаления вещества с поверхности под действием света, сопровождающийся разрывом химических связей [7]. Большинство исследований направлено на модификацию поверхностного слоя металлов и сплавов с целью их упрочнения [8], при этом практически отсутствуют работы по исследованию возможностей лазерной абляции для увеличения стойкости к коррозии сварнях соединений.
Цель работы состоит в установлении закономерностей влияния лазерной абляции на коррозионную стойкость сварных соединений из углеродистых сталей.
Изложение основного материала
В работе рассматривается влияние агрессивной среды на образцы углеродистой стали до и после воздействия лазерного излучения в воздушной среде с последующим сравнительным анализом коррозионной стойкости. В качестве материала исследования были взяты образцы конструкционной углеродистой стали обыкновенного качества марки Ст3 [9]. Для лазерной абляции поверхности образцов использовалась экспериментальная установка Fmark-100 NS c волоконным иттербиевым лазером IPG Photonics. Характеристики лазерного излучения: мощность излучения - 100 Вт; длина волны - 1,064 мкм; длительность импульса - 10-200 нс; частота повторения импульса -200 кГц; скорость обработки - 1000 мм/с. Образец, помещенный под линзу объектива, перемещался с помощью точного компьютерного управления X-Y-Z при шаге разрешения 50 нм и максимальной скорости 1000 мм/с. Экспериментальная установка представлена на рис 1.
Режимы лазерной абляции образцов в воздухе для проведения экспериментальных исследований представлены в табл. 1.
Для подсчета скорости коррозии использовался гравиметрический метод (ГОСТ 9.905) [10]. Образцы размером 80 х 50 х 2 мм взвешивались на аналитических весах ВЛ-224В с точностью до 0,0001 г и при 20 °С и атмосферном давлении выдерживались 14 сут в 3% растворе хлорида натрия (р = 1,02 г/см3). Потерю массы определяли согласно ЕСЗКС ГОСТ 9.908 [11] по следующим формулам:
Рис. 1. Экспериментальная установка Fmark-100 NS, тип лазера волоконный иттербиевый, IPG Photonics
Km =
Dm
где Кт - массовый показатель коррозии, г/м2 сут; Ат - изменение массы образца, г; Э - площадь поверхности, м2; т -время коррозии, сут;
где П - глубинный показатель коррозии, мм/год; р -плотность материала, г/см3; 365 - число дней в году. Эффективность действия лазерной абляции оценивали по величине степени защиты поверхности:
Кт_ - Кт
Z = -
Km
•100%,
П = ■
Km
р-10-
• 365,
где Кт - массовый показатель коррозии необработанного образца, г/м2 сут; Кт - массовый показатель коррозии обработанного образца, г/м2 сут.
Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Анализ зависимости скорости коррозии от режимов лазерной абляции (рис. 2) и массы образцов до и после коррозии (рис. 3) показывает, что текстурированная лазером поверхность улучшила антикоррозионные свойства, значения массового и глубинного показателей коррозии оказались значительно ниже, чем для необработанной поверхности.
При этом коррозионная стойкость первого образца по сравнению с контрольным необработанным образцом увеличилась на 25,1%, второй и третий образцы оказались менее чувствительными к агрессивной среде, эффективность действия лазерной абляции составила 29,1 и 33,3% соответственно.
Обработанные лазерным излучением поверхности были исследованы при помощи металлографического микроскопа модели 4ХВ при увеличении в 250 и 650 раз (табл. 3). На изображении микроструктур коррозионные поражения на поверхности текстурированных пластин распределены неравномерно, что свидетельствует о наличии питтинговой
0
3
I Таблица 1
Режимы лазерной абляции пластин из Ст3 в воздухе
Мощность импульса Р, Вт Скорость обработки V, мм/с Длительность импульсов, нс Вид обработки
20 1000 10 Одинарное покрытие
20 1000 10 Одинарное покрытие
20 1000 10 Двойное перекрестное покрытие
1-2
• 2022
49
Балл коррозионной стойкости
Группа коррозионной стойкости
Таблица 2
Результаты коррозионных испытаний до и после лазерной абляции
Вид обработки
Массовый показатель скорости коррозии Кт,
Глубинный показатель скорости коррозии П, мм/год
Эффективность, %
Необработанный образец 2,9188 0,1356 - 6 Пониженно-стойкая
Одинарное вертикальное покрытие 2,1876 0,1016 25,1 6 Пониженно-стойкая
Одинарное горизонтальное покрытие 2,0790 0,0962 29,1 5 Стойкая
Двойное перекрестное покрытие 1,9450 0,0904 33,3 5 Стойкая
3,5
&
О см' 3
2,5
2
г г
со о ^ 1,5
1
0,5 0
2,9188
Необработанный образец
коррозии, которая протекает с разной скоростью на разных участках поверхности [12].
Причиной коррозии обычной углеродистой стали во влажной атмосфере является возникновение гальванических микроэлементов, анодными участками которых является ферритная фаза, а катодными -включения углерода в виде графита или цементита [13]:
(-) Fe | Fe2+ || 02, 2Н20, 40Н- I Fe3C (+).
Термодинамическим условием протекания процесса электрохимической коррозии является ЕМе < Еок, общее уравнение коррозии имеет вид
2Fe + 02 + 2Н20 = 2Fe(OH)2.
Наличие в стали примесей серы, меди и фосфора способствует протеканию коррозионных процессов с кислородной и водородной деполяризацией. Ионы хлора агрессивных сред также оказывают влияние на процесс коррозии, и причиной активирующей способности ионов хлора является их высокая адсор-бируемость на металле. Хлор-ионы вытесняют пассиваторы с поверхности металла, способствуют растворению пассивирующих пленок и облегчают переход ионов металла в раствор.
Абляционные процессы приводят к существенным изменениям физико-химических и морфологических свойств поверхности и способствуют образованию супергидрофобных поверхностей. Полученные данные подтвердили, что различная степень защиты от коррозии зависит от типа нанорельефа. При действии лазера на обработанной поверхности образуются двухуровневые микро- и
Рис. 2. Зависимость скорости коррозии от режимов лазерной абляции
2,1876
2,079 ■ > ■
1,945 1—»
Одинарное вертикальное покрытие
Одинарное горизонтальное покрытие
Двойное покрытие
Вид обработки
Рис. 3. Массы образцов до и после коррозии, г 58,1 -
58
57,9
57,8
57,7
57,6
Необработанный образец Одинарное вертикальное покрытие Одинарное горизонтальное покрытие Двойное перекрестное покрытие
57,8596 58,0908 57,9564 57,9880
57,6512 57,9346 57,8084 57,8400
наношероховатости в виде микровыступов размером ~ 15 мкм в форме шипов, которые, в свою очередь, покрыты небольшими наночастицами диаметром ~ 100 нм («эффект лотоса»). При контакте с агрессивной водной средой - в нашем случае с раствором хлорида натрия 3% - на такой
Таблица 3
Результаты металлографического исследования
Материал пластины и вид обработки
Поверхность текстурированных пластин после испытаний на коррозионную стойкость
Ст3 необработанный образец
Ст3 абляция в воздухе/ одинарное вертикальное покрытие
Ст3 абляция в воздухе/ одинарное горизонтальное покрытие
Ст3 абляция в воздухе/ перекрестное покрытие
поверхности возникают воздушные зазоры между водой и микро- и наноструктурами соответственно. Для сравнения: размеры радиусов молекулы воды, атома хлора и иона хлора соответственно равны 0,280, 0,099 и 0,181 нм. Площадь контакта воды с супергидрофобной металлической поверхностью намного меньше, чем с необработанной поверхностью, что и способствует улучшению антикоррозионных свойств материала. Кроме того, углерод обладает большим количеством аллотропных модификаций благодаря наличию различных гибридизаций ^рЭ, sp2 и sp). Возможно, что в графитовой фазе стали могут происходить фазовые изменения с образованием более упорядоченной струкруры, что также способствует увеличению коррозионной стойкости стали. Таким образом формируется новая морфология поверхности и новая внутренняя структура материала, изменяются физико-химические свойства.
Заключение
В результате гравиметрических испытаний установлено, что текстури-рованная лазером поверхность обладает лучшими антикоррозионными свойствами в сравнении с необработанной поверхностью.
Обнаружено, что степень защиты от коррозии зависит от типа наноре-льефа и достигается за счет уменьшения площади контакта воды с супергидрофобной поверхностью. Максимальная эффективность предотвращения коррозии (33,3%) наблюдается для поверхностей с двойной перекрестной обработкой.
x250
x650
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Cha G. Nanoscale patterning of microtextured surfaces to control superhydrophobic robustness / G. Cha, J. W. Yi, M.-W. Moon [et al.]. Langmuir. 2010. Vol. 26, № 11. Р. 8319-8326.
2. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика сплавов железа. М.: Металлургия,1984. 208 с.
3. Тюрин А.Г. Термодинамика химической и электрохимической устойчивости твердых сплавов железа, хрома и никеля: моногр. Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2011. 241 с.
4. Chen F. Anisotropic wetting on microstrips surface fabricated by femtosecond laser / F. Chen, D. Zhang, Q. Yang, X. [et al.]. Langmuir. 2011. Vol. 27., № 1. Р. 359-365.
5. Костицына И.В., Тюрин А.Г., Паршуков В.П., Бирюков А.И. Влияние концентрации хрома, температуры и давления СО2 на коррозионную стойкость насосно-компрессорных труб // Вестник ЮурГУ. Сер. Химия. 2012. Вып. 8. № 13 (272). С. 30-37.
6. Вигдорович В.И., Цыганкова Л.Е. Ингибирование сероводородной и углекислотной коррозии металлов. Универсализм ингибиторов. М.: КАРТЭК, 2011. 244 с.
7. Shafeev G 2012 Laser Ablation in Flowing Liquid Laser Ablation in Liquids 549-72.
8. YagyaevElmar and AkimovSeran. (2020). Improvement of high-speed steel cutting tool production technology using the method of nanostructure generation by laser ablation. IOP ConferenceSeries: MaterialsScienceandEngineering. 889.
9. ГОСТ 380-2005. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки.
1-2
2022
51
10. ГОСТ Р 9.905-2007. Единая система защиты от коррозии и старения. Методы коррозионных испытаний. Общие требования.
11. ГОСТ 9.908-85. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.
12. Иоффе А.В., Выбойщик М.А., Трифонова Е.А., Суворов П.В. Влияние химического состава и структуры на стойкость нефтепроводных труб к углекислой коррозии // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 2. С. 9-14.
13. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: пер. с англ.; под ред. А.М. Сухотина. Л.: Химия, 1989. 456 с.
REFERENCES
Cha G., Yi J. W., Moon M.-W. Nanoscale patterning of microtextured surfaces to control superhydrophobic robustness. Langmuir, 2010, vol. 26, no. 11, pp. 8319 - 8326.
Mogutnov B.M., Tomilin I.A., Shvartsman L.A. Termodinamika splavov zheleza [Thermodynamics of iron alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1984. 208 p.
Tyurin, A. G. Termodinamika khimicheskoy i elektrokhimicheskoy ustoychivosti tverdykh splavov zheleza, khroma i nikelya [Thermodynamics of chemical and electrochemical stability of hard alloys of iron, chromium and nickel]. Chelyabinsk, Chelyab. gos. un-ta Publ., 2011. 241 p.
Chen F., Zhang D., Yang Q. Anisotropic wetting on microstrips surface fabricated by femtosecond laser. Langmuir, 2011, vol. 27, no. 1, pp. 359-65.
Kostitsyna I.V., Tyurin A.G., Parshukov V.P., Biryukov A.I. Influence of chromium concentration, temperature and CO2 pressure on the corrosion resistance of tubing. Vestnik YuurGU. Seriya «Khimiya», 2012, vol. 8, no. 13 (272), pp. 30-37 (In Russian).
Vigdorovich V.I., Tsygankova L.YE. Ingibirovaniye serovodorodnoy i uglekislotnoy korrozii metallov. Universalizm ingibitorov [Inhibition of hydrogen sulfide and carbon dioxide corrosion of metals. Universalism of inhibitors]. Moscow, KARTEK Publ., 2011. 244 p.
Shafeev G. Laser ablation in flowing liquid laser ablation in liquids. 2012, 549-72.
Yagyaev E., Akimov S. Improvement of high-speed steel cutting tool production technology using the method of nanostructure generation by laser ablation. Proc. of IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020, p. 889.
GOST380-2005. Stal' uglerodistaya obyknovennogo kachestva. Marki [State Standard 380 - 2005. Common quality carbon steel. Grades].
GOSTR 9.905-2007. Yedinaya sistema zashchity ot korrozii istareniya. Metody korrozionnykh ispytaniy. Obshchiye trebovaniya [State Standard R 9.905 - 2007. Unified system of corrosion and ageing protection. Corrosion test methods. General requirements].
GOST9.908 - 85. Yedinaya sistema zashchity ot korrozii i stareniya. Metally isplavy. Metody opredeleniya pokazateley korrozii i korrozionnoy stoykosti [State Standard 9.908 - 85. Unified system of corrosion and ageing protection. Metals and alloys. Methods for determination of corrosion and corrosion resistance indices].
Ioffe A.V., Vyboyshchik M.A., Trifonova YE.A., Suvorov P.V. Influence of the chemical composition and structure on the resistance of oil pipelines to carbon dioxide corrosion. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov, 2010, no. 2, pp. 9 - 14 (In Russian).
Ulig G.G., Revi R.U. Korroziya ibor'ba s ney. Vvedeniye v korrozionnuyu nauku i tekhniku [Corrosion and its control. Introduction to corrosion science and technology]. Leningrad, Khimiya Publ., 1989. 456 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
1. 2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
12
Шрон Леонид Борисович, к.т.н., доцент кафедры технологии машиностроения, Севастопольский государственный университет. Ягьяев Эльмар Энверович, к.т.н., доцент, завкафедрой электромеханики и сварки, Крымский инженерно-педагогический университет им. Февзи Якубова. Абхаирова Сусана Велишаевна, к.х.н., доцент кафедры технологического образования, Крымский инженерно-педагогический университет им. Февзи Якубова.
Гумеров Айдар Кабирович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Leonid B. Shron, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Mechanical Engineering Technology, Sevastopol State University Elmar E. Yagyaev, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof., Head of the Department of Electromechanics and Welding, Fevzi Yakubov Crimean Engineering and Pedagogical University.
Susana V. Abkhairova, Cand. Sci. (Chem.), Assoc. Prof. of the Department of Technological Education, Fevzi Yakubov Crimean Engineering and Pedagogical University.
Aydar K. Gumerov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
