Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

05.17.14 - хімічний опір матеріалів та захист від корозії

УДК 620.194.23

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МЕТОДИКА ОЦІНЮВАННЯ КОРОЗІЙНОЇ ПОШКОДЖУВАНОСТІ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ ТРУБ ІЗ РІЗНОРІДНИХ СТАЛЕЙ

Лещак Ростислав

Любомирович

Львів - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий керівник:

член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук, професор

Дмитрах Ігор Миколайович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділу фізичних основ руйнування та міцності матеріалів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Зінь Іван Миколайович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, провідний науковий співробітник відділу фізико-хімічних методів зміцнення та захисту металів кандидат технічних наук, доцент Василик Аристид Володимирович,

Івано-Франківський Національний технічний університет нафти і газу, доцент кафедри зварювання трубопроводів і конструкцій

Захист відбудеться “ 15 ” квітня 2011 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий “ 14 ” березня 2011 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради І.М. Погрелюк

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Актуальність роботи визначається широким застосуванням зварних з'єднань із різнорідних металів та їх сплавів у хімічному машинобудуванні, енергетичному устаткуванні та в інших галузях техніки. Як свідчить інженерна практика, такі з'єднання можуть зазнавати суттєвих корозійних пошкоджень у заданих умовах тривалої експлуатації. Так, наприклад, гостро стоїть проблема кільцевих зварних з'єднань різнорідних труб на виході із пароперегрівачів де на даний час, до 70 % поломок і, як наслідок, простоїв теплоенергетичного обладнання відбувається за рахунок зародження та розвитку непрогнозованих локальних корозійних та корозійно-механічних дефектів.

Дослідженням різних аспектів цієї проблеми займалися як вітчизняні, так і зарубіжні вчені. Тут слід відмітити праці В.І. Похмурського, Р.К. Мелехова, Г.М. Никифорчина, М.С. Хоми, Г.М. Круцан, І.Л. Розенфельда, Р. Паркінса, де розроблено фізико-хімічні та електрохімічні основи досліджень, пов'язаних з цією проблемою.

Однак слід зазначити, що на сьогоднішній день в літературі недостатньо розвинуті методи кількісного оцінювання та прогнозування корозійної пошкоджуваності різнорідних зварних з'єднань, особливо в плані врахування специфіки взаємодії робочого середовища з компонентами зварного з'єднання. Оскільки зварне з'єднання є об'єктом, що складається з основного матеріалу, матеріалу зварного шва та деякої перехідної зони термічного впливу, то з корозійної (електрохімічної) точки зору його можна розглядати як складну багатоелектродну систему. В цій системі з тим, чи іншим ступенем імовірності, може протікати цілий спектр часто конкуруючих між собою фізико-хімічних процесів, що призводять до деградації експлуатаційних характеристик зварного з'єднання як шляхом інтенсивного анодного розчинення матеріалу (виникнення пітингів, корозійних виразок і т.п.), так і шляхом водневого окрихчення зварної зони (прискорення процесів утворення мікротріщин та зародження і розвиток макротріщин).

У зв'язку з цим, розроблення методики оцінювання корозійної пошкоджуваності зварних з'єднань різнорідних труб на основі їх розгляду як триелектродної електрохімічної системи, є актуальною науковою та прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відділі фізичних основ руйнування та міцності матеріалів і пов'язана з наступними науково-дослідними темами, які виконувалися у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка згідно з тематичними планами Національної академії наук України, і в яких здобувач був виконавцем:

· „Дослідження явищ локальної корозії під напруженням матеріалів пароводяного тракту енергоблоків при підвищених температурах робочого середовища та розробка рекомендацій щодо запобігання їх корозійно-механічного розтріскування”, 2003-2005 рр., № державної реєстрації 0103U003342 (відомче замовлення НАН України);

· „Створення сучасних методів технічної діагностики роботоздатності систем пароводяного тракту енергоблоків ТЕС”, 2004-2006 рр., № державної реєстрації 0104U004523 (цільова комплексна програма НАН України „Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин”);

· Господарські договори з ВАТ „ЗАХІДЕНЕРГО” Міністерства палива і енергетики (м. Львів) з проблем встановлення механізму експлуатаційних пошкоджень та оцінки залишкового ресурсу конструкційних елементів енергоблоків ТЕС, 2003-2005 рр.

Мета і завдання дослідження: розроблення методики оцінювання корозійної пошкоджуваності зварних з'єднань різнорідних труб, яка ґрунтується на базових електрохімічних характеристиках матеріалів зварного з'єднання та розрахунковій процедурі визначення густини корозійного струму на внутрішній поверхні труби, що розглядає комбіноване зварне з'єднання як триелектродну електрохімічну систему.

Досягнення поставленої мети вимагало вирішення наступних основних завдань:

1. Розробити методику експериментального визначення базових електрохімічних характеристик матеріалів зварного з'єднання на підставі стандартних вольтамперометричних підходів: потенціалу та струму корозії; питомих поляризаційних опорів катодних і анодних реакцій.

2. Встановити фактичні розміри шва та зон термічного впливу для зварного з'єднання труб із сталей 12Х1МФ та 12Х18Н10Т на підставі даних вимірювання мікротвердості та визначення поверхневого хімічного складу, а також експериментально визначити базові електрохімічні характеристики компонентів зварного з'єднання із урахуванням терміну їх експлуатації та чинника складу робочого середовища.

3. Розробити модельну схему для аналітичного визначення густини корозійних струмів на внутрішній поверхні зварного з'єднання різнорідних труб.

4. Розрахунковим шляхом встановити розподіл густини корозійних струмів на внутрішній поверхні даних зварних з'єднань в залежності від терміну їх експлуатації та складу робочого середовища.

5. Розробити чисельну процедуру та здійснити прогнозні оцінки глибини та профілю корозійних пошкоджень на внутрішній поверхні зварного з'єднання труб зі сталей 12Х1МФ та 12Х18Н10Т в залежності від експлуатаційних чинників.

Об'єкт дослідження: кільцеві зварні з'єднання труб пароперегрівачів енергоблоків (сталь 12Х1МФ - сталь 12Х18Н10Т) з різним терміном експлуатації.

Предмет дослідження: закономірності корозійних пошкоджень та прогнозні оцінки їх глибини та характеру на внутрішній поверхні зварного з'єднання труб зі сталей 12Х1МФ та 12Х18Н10Т в залежності від експлуатаційних чинників.

Методи дослідження: вольтамперометричні методи електрохімії для експериментального визначення базових корозійних характеристик матеріалів зварного з'єднання; матеріалознавчі - для вимірювання мікротвердості та визначення поверхневого хімічного складу компонентів зварного з'єднання; математичної фізики - для аналітичного опису корозійних струмів на внутрішній поверхні труб в околі зварного з'єднання; чисельні методи - для розрахунку глибини та профілю корозійних пошкоджень на внутрішній поверхні зварених різнорідних труб.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено новий експериментально-розрахунковий метод оцінювання локалізованої корозійної пошкоджуваності зварних з'єднань різнорідних труб, що ґрунтується на базових електрохімічних характеристиках його компонентів та аналітичній моделі визначення густини корозійного струму на внутрішній поверхні труби, що розглядає комбіноване зварне з'єднання як триелектродну електрохімічну систему. Вперше показано можливість зміни полярності локальних гальванопар в околі зварної зони з'єднання труб зі сталей 12Х1МФ та 12Х18Н10Т в залежності від тривалості його експлуатації, що не прогнозується при використанні відомих існуючих підходів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці інженерного методу оцінки та прогнозування глибини та профілю корозійних пошкоджень на внутрішній поверхні зварного з'єднання різнорідних труб. Встановлено значення максимальної глибини пошкоджень компонентів кільцевих зварних з'єднань труб пароперегрівачів енергоблоків (сталь 12Х1МФ - сталь 12Х18Н10Т) в залежності від тривалості їх експлуатації, а також від можливої зміни складу водно-хімічного режиму енергоблоків. Ці результати були використані для експертного аналізу причин експлуатаційних пошкоджень трубопровідних систем енергоблоків ТЕС з метою вироблення оптимальних рекомендацій щодо їх профілактики.

Особистий внесок здобувача. Основні результати та положення, які становлять суть дисертації, отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: в [2, 4-5, 10] - розробка методики досліджень та реалізація експериментів; [3, 6, 9] - експериментальні дані про базові електрохімічні характеристики матеріалів зварних з'єднань при різних умовах випробувань, також їх узагальнення; [7, 8] - чисельна реалізація та апробація модельної схеми для аналітичного визначення густини корозійних струмів на внутрішній поверхні зварних з'єднань різнорідних труб; [11, 12] - розрахунок максимальної глибини пошкоджень компонентів кільцевих зварних з'єднань труб пароперегрівачів енергоблоків в залежності від тривалості їх експлуатації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на VII і VIII міжнародних конференціях “Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів” (Львів, 2004 та 2006 р.), відкритих науково-технічних конференціях молодих науковців і спеціалістів: КМН-2003, КМН-2005, КМН-2007 (Львів, 2003, 2005, 2007 р.) конференціях молодих учених із сучасних проблем механіки і математики імені академіка Я.С. Підстригача (Львів, 2004, 2005 р), IV Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології” (Київ, 2007 р.), 8-му міжнародному симпозіумі українських інженерів механіків у Львові (Львів, 2007 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 праць, з них 5 у наукових фахових виданнях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, переліку літературних джерел (129 найменувань) і додатку. Загальний обсяг роботи становить 123 сторінки, в тому числі 42 рисунки, 11 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі висвітлено стан проблеми утворення і розвитку локальних корозійних та корозійно-механічних дефектів пароводяного тракту енергоблоків ТЕС, обґрунтовано актуальність вибраної теми, визначено мету дослідження та завдання для її досягнення, показано наукову новизну, практичне значення та апробацію результатів дисертації.

Перший розділ присвячено огляду літератури, що висвітлює особливості корозійної пошкоджуваності зварних з'єднань із різнорідних металів. Зроблено критичний аналіз сучасного стану досліджень цих процесів, а також сформульовано мету і задачі роботи.

Другий розділ присвячено розробленню та апробації методики і технічних засобів для корозійних досліджень компонентів зварного з'єднання на підставі стандартних підходів електрохімії.

Об'єктом вивчення були зварні з'єднання труб (рис. 1) із сталей 12Х1МФ (низьколегована сталь перлітного класу) та 12Х18Н10Т (нержавіюча сталь аустенітного класу). Зварювання здійснювалось подвійним кільцевим швом із використанням перехідного електроду ЦТ-10. Хімічний склад базових та зварювального матеріалів представлений в таблиці 1. Досліджувались з'єднання як в стані поставки, так і після 185 тис год їх експлуатації на Бурштинській та Вуглегірській ТЕС.

Таблиця 1. Номінальний хімічний склад досліджуваних матеріалів

	%	12Х1МФ	12Х18Н10Т	ЦТ-10
	C	0,08-0,15	до 0,12	0,08-0,14
	P	0,03	0,035	-
	S	0,025	0,02	-
	Si	0,17-0,37	< 0,8	0,15-0,5
	Mn	0,4-0,7	1-2	1-2,5
	Cr	0,9-1,2	17-19	13,5-17
	Mo	-	0,25-0,35	4,7-6,7
	V	-	0,15-0,3	-
	Ni	до 0,25	11-13	23,5-26,5
Рис. 1. Об'єкт досліджень	Cu	до 0,3	до 0,2	-

Зварне з'єднання розглядалось як триелектродна електрохімічна система: сталь 12Х1МФ - матеріал шва - сталь 12Х18Н10Т. Орієнтиром для вирізки зразків кожного із компонентів зварного з'єднання були дані про зміну мікротвердості на внутрішній поверхні труби вздовж її твірної (рис. 2). Розмір досліджуваної поверхні зразків становив 1010 мм, а зразки, вирізані зі зварного шва, включали в себе матеріал шва та прилеглі до нього зони сплавлення зварюваних матеріалів. Оскільки досліджуваною поверхнею була внутрішня поверхня труби, що контактує з експлуатаційним середовищем - теплоносієм (вода високого ступеня очистки), то інші поверхні закривалися ізолюючим матеріалом (рис. 3).

Базовим середовищем слугувала дистильована вода, яка є близькою до експлуатаційного середовища на ТЕС. Крім цього були використані водні розчини NaCl різної концентрації: 0,03, 0,3 та 1%. Це було зроблено з наступних міркувань. Розчин з концентрацією NaCl 0,03% моделює ситуацію відхилення водно-хімічного режиму від номінального, що часто спостерігається на ТЕС. Розчини з концентрацією NaCl 0,3 і 1% вибрані для порівняння з попередніми випадками та виявлення загальних тенденцій протікання електрохімічних процесів на поверхнях досліджуваних матеріалів, які складно виявити при низьких концентраціях агресивних домішок в робочому середовищі. Хімічний склад та характеристики середовищ представлено в табл. 2.

Рис. 2. Зміна мікротвердості компонентів зварного з'єднання вздовж твірної на внутрішній поверхні труби



Рис. 3. Зразки для електрохімічних досліджень

Таблиця 2. Хімічний склад та характеристики середовищ

Концентрація , %мас	Провідність , См/м	рН	Температура, С
дистильована вода	110-3	6,08	25
0,03	6010-3	6,95
0,3	0,583	7,05
1	1,585	7,1
дистильована вода	1,510-3	6,4	40
0,03	9010-3	7,1
дистильована вода	2,3510-3	6,7	60
0,03	112,510-3	7,15

Електрохімічні дослідження проводились за стандартною триелектродною схемою: робочий електрод (досліджуваний зразок) - допоміжний платиновий електрод - хлорсрібний електрод порівняння. При цьому був використаний комплект потенціостата ПИ-50-1 з програматором ПР-8, а реєстрація та обробка одержаних даних здійснювалась за допомогою персонального комп'ютера. В процесі випробовувань контролювалась провідність та рН середовища, а його задана температура в електрохімічних комірках підтримувалась за допомогою термостата.

Слід відмітити, що основною відмінністю методики досліджень є розділення електродних процесів на робочому (зразок) та допоміжному платиновому електродах шляхом розміщення їх в двох окремих електрохімічних комірках, які з'єднані між собою електролітичними капілярами. Це є необхідною умовою одержання адекватних та коректних даних про особливості протікання анодних процесів, що є принципово важливим, оскільки основним предметом досліджень у роботі є електрохімічна корозія компонентів зварного з'єднання.

Компоненти зварного з'єднання досліджувались в однаковому діапазоні розгортки потенціалів, що становив -1 В - +1 В із постійною швидкістю розгортки рівною 1 мВ/с. За результатами випробовувань будували потенціодинамічні поляризаційні криві, з яких, для кожного дослідженого випадку, визначали наступні базові характеристики: потенціали корозії та густини струмів корозії, питомі поляризаційні опори анодних і катодних реакцій (рис. 4).

У третьому розділі наведено результати вольтамперометричних досліджень та встановлено базові електрохімічні характеристики компонентів зварного з'єднання з урахуванням терміну їх експлуатації та чинника складу робочого середовища.

Встановлено наступні закономірності впливу концентрації агресивних домішок (NaCl) в робочому середовищі на корозійну поведінку компонентів зварного з'єднання (рис. 5). Для всіх досліджуваних матеріалів із збільшенням концентрації агресивних домішок анодні корозійні струми зростають більше, ніж на порядок, а пасивні ділянки на анодних вітках поляризаційних кривих помітно звужуються. Причому, найбільш відчутні зміни спостерігаються в діапазоні концентрацій . Збільшення концентрації агресивних домішок від 0,3 до 1% незначно підвищує анодні корозійні струми (крім випадку сталь 12Х18Н10Т в стані поставки). Аналогічні тенденції спостерігаються і для катодних віток поляризаційних кривих: струми є значно нижчими в дистильованій воді, ніж в розчинах з домішками NaCl, а зміна концентрації домішок від 0,03 до 1% незначно підвищує катодні струми.

Порівняльна оцінка електрохімічної поведінки компонентів нового (у стані поставки) та експлуатованого зварного з'єднання показала наступне (рис. 6). При випробовуваннях в дистильованій воді та у середовищі з концентрацією домішок як для сталі 12Х1МФ, так і зварної зони, практично немає різниці між анодними ділянками поляризаційних кривих нового та експлуатованого металів. Різняться між собою тільки катодні ділянки, де має місце підвищення струмів приблизно у два рази.

Найбільш відчутна різниця між новим та експлуатованим металом спостерігається для сталі 12Х18Н10Т (рис. 6): потенціал корозії зміщається приблизно на 350 мВ в катодну область, а струм корозії підвищується в 2,5 рази. Також із збільшенням часу експлуатації як катодні, так і анодні поляризаційні опори для матеріалу зварної зони та сталі 12Х18Н10Т зменшуються в 3 - 7 разів залежно від складу середовища. Це вказує на суттєву втрату опору до електрохімічної корозії експлуатованої сталі 12Х18Н10Т.

В роботі також встановлено, що з підвищенням температури випробувань до 60С у дистильованій воді спостерігається значне пониження катодних струмів для всіх експлуатованих матеріалів порівняно з матеріалами в стані поставки. Щодо анодних струмів, то їх величина незначно відрізняється у експлуатованих та неексплуатованих матеріалах.

Підсумковим результатом проведених в розділі досліджень є визначені, з одержаних потенціодинамічних поляризаційних кривих, наступні базові електрохімічні характеристики компонентів зварного з'єднання (таблиця 3): потенціали корозії (), густини струмів корозії () та питомі поляризаційні опори анодних та катодних реакцій (, ).

Таблиця 3. Базові електрохімічні характеристики компонентів зварного з'єднання

Вміст домішок	Потенціал корозії	Струм корозії	Поляризаційні опори, Омм2
, %	, В	, А/м2
Сталь 12Х1МФ (поставка)
0	-0,368	0,01343	2,94118	2,54453
0,03	-0,451	0,02632	0,94073	0,91743
0,3	-0,433	0,01926	0,43328	0,37994
1	-0,410	0,01969	0,58893	0,54795
Сталь 12Х1МФ (185 тис. год. експлуатації)
0	-0,251	0,00672	2,78552	2,98507
0,03	-0,397	0,01842	1,03093	1,26582
0,3	-0,403	0,01637	0,58548	0,52910
1	-0,433	0,01671	0,43995	0,39683
Зварна зона (поставка)
0	-0,157	0,00391	12,52566	37,17182
0,03	-0,371	0,00870	2,61780	2,78552
0,3	-0,363	0,01478	0,55866	0,51282
1	-0,371	0,01710	0,71839	0,67751
Зварна зона (185 тис. год. експлуатації)
0	-0,320	0,00872	2,51256	2,98507
0,03	-0,411	0,01747	1,24069	1,65837
0,3	-0,320	0,00857	0,91575	0,86730
1	-0,368	0,01407	0,53677	0,81500
Сталь 12Х18Н10Т (поставка)
0	0,043	0,00436	12,96591	23,19325
0,03	-0,330	0,01353	3,67647	3,31126
0,3	-0,371	0,01276	2,33645	2,92398
1	-0,363	0,01667	2,19298	1,97239
Сталь 12Х18Н10Т (185 тис. год. експлуатації)
0	-0,341	0,01022	5,12821	5,18135
0,03	-0,379	0,01731	1,83150	2,37530
0,3	-0,440	0,02579	0,90744	1,03093
1	-0,397	0,02614	1,10497	1,17096

В подальшому одержані дані були використані при розрахунках корозійної пошкоджуваності цих зварних з'єднань залежно від планованого терміну експлуатації.

Четвертий розділ присвячено розробленню чисельно-аналітичного методу оцінювання густини корозійного струму на внутрішній поверхні компонентів зварних з'єднань різнорідних труб в умовах дії корозійного середовища.

В основу методики покладено запропоновану модельну схему, що розглядає дане зварне з'єднання як триелектродну електрохімічну систему: сталь 12Х1МФ - матеріал зварної зони - сталь 12Х18Н10Т (рис. 7). Вона характеризується потенціалами корозії та питомими поляризаційними опорами кожного із компонентів з'єднання, а також питомою електропровідністю середовища та безрозмірною півшириною зварної зони віднесеною до радіуса .



Рис. 7. Модельне представлення зварного з'єднання різнорідних труб як триелектродної електрохімічної системи

Аналітичне визначення густини струмів корозії було здійснено через електричні потенціали середовища , які описувались рівнянням Лапласа:

,

.

Тут індекси відносяться до величин в областях: , , .

При визначенні густини струму із поверхні , додатнім вважався струм із металу в середовище. Його густину можна визначити з потенціалу наступним чином.

Враховуючи, що електропровідність металів в 106-107 разів більша, ніж середовища, можна прийняти, що електричний потенціал поверхні металу

.

Тоді

,

.

Було показано, що функції і затухають вздовж за приблизно експоненціальним законом. Тому область ефективної дії корозійних струмів обмежена і вважаємо в цій області умову (2) і співвідношення (3) прийнятними.

З другої сторони, із закону Ома в диференціальній формі з використанням безрозмірного r маємо наступне співвідношення:

.

Із прирівнювання правих частин рівнянь (3) і (4) слідує умова на поверхні :

, ,

де .

Потенціали задовольняють умовам (5), неперервності і на перерізах та умовам на нескінченості

,

.

При визначенні використаємо метод вирівнювання поляризованості, де за умови (5) різні заміняються єдиною умовою при сталому . В ролі таких вибрано . Тоді умова (5) приймає вигляд:

Тут і _ поправки до потенціалів корозії і :

, .

_ усереднена величина на поверхнях ефективної корозії, , в ролі яких прийнято прилеглі до шва частини поверхні труб, де зосереджено не менше 90 % корозійного струму з кожної із півбезмежних труб.

Розв'язок рівняння Лапласа для при умовах (6), (7) та неперервність і при дано методом розділення змінних. Підставивши в співвідношення (3) або (4), одержимо кінцеві вирази для густин струмів:

;

;



де _ корені рівняння ; _ функції Бесселя p-го порядку.

Рівняння (9)-(11) становили основу для чисельних розрахунків густини струму корозії на внутрішній поверхні зварних з'єднань труб зі сталей 12Х1МФ та 12Х18Н10Т при різних умовах випробування.

У п'ятому розділі одержано розрахункові дані та здійснено аналіз характеру зміни густини корозійних струмів на внутрішній поверхні зварних з'єднань різнорідних труб із сталей 12Х1МФ та 12Х18Н10Т в залежності від терміну їх експлуатації та хімічного складу робочого середовища.

Використовуючи експериментальні дані про базові електрохімічні характеристики компонентів зварного з'єднання за формулами (9)-(11) були розраховані відповідні залежності густини корозійних струмів від осьової координати при ширині зварної зони 2 мм, 5 мм та 10 мм в середовищах із різною концентрацією NaCl (рис. 8).

Встановлено (рис. 8), що для всіх розглянутих випадків ширини зварної зони у нових (неексплуатованих) з'єднаннях сталь 12Х1МФ є анодом, а сталь 12Х18Н10Т та метал зварної зони - катодами. Виняток становлять випробування в дистильованій воді, де метал зварної зони є частково катодом зі сторони прилеглої до сталі 12Х1МФ, та частково анодом - зі сторони прилеглої до сталі 12Х18Н10Т. Така двополярність зварної зони спричинена низькою електропровідністю середовища (дистильованої води), як наслідок, можливістю виникнення двох локальних гальванопар із базовими матеріалами з'єднання.

У випадку експлуатованих зварних з'єднань (рис. 8 б, г, е) зварна зона виступає в ролі катода відносно сталі 12Х1МФ, що є очікуваним. Однак вона є також катодом і для сталі 12Х18Н10Т, що свідчить про принципову деградацію протикорозійних властивостей останньої внаслідок тривалої дії експлуатаційних умов.

Одержані результати дають змогу оцінити потенційні зони корозійних пошкоджень компонентів зварних з'єднань різнорідних труб за умов дії корозійного середовища різного складу, а також виявити аномальну корозійну поведінку компонентів з'єднань, що спричинена їх деградацією при тривалій експлуатації. зварний з'єднання корозійний струм

Шостий розділ присвячений прогнозним оцінкам глибини корозійної пошкоджуваності компонентів зварного з'єднання, а також довжини зони корозійної активності зварного з'єднання різнорідних труб залежно від планованого терміну експлуатації в середовищах різного складу.

Це було здійснено на основі одержаних даних про розподіл струмів корозії із використанням таких понять як фронт, глибина і швидкість корозії. Фронт корозії - поверхня, яка обмежує зі сторони середовища об'єм металу без корозійного пошкодження. В нашому випадку цей фронт є конічна поверхня із змінною по осі твірною, бо густина корозійного струму на внутрішній поверхні труби залежить від і не залежить від кутової координати. Глибина корозії () - нормальна координата точки фронту корозії, що відраховується від вихідної поверхні сплаву. В нас є функція і часу . Швидкість корозії - величина, що визначається рівністю

.

При аналітичному визначенні було прийнято, що відносний вміст окремих компонентів сплаву на його поверхні такий же, як і в його об'ємі. При цьому вклад окремих компонентів сплаву в сумарний струм електрохімічної корозії пропорційний їх відносному вмісту в матеріалі.

На цій основі в роботі одержана наступна формула для визначення швидкості корозії (в м/с ) у зварних з'єднаннях в залежності від параметрів сплаву:

.

Тут _ номер компонента; - відносний його вміст по масі; - маса атома компонента в атомних одиницях; - валентність металу; _ кількість компонентів; _ густина сплаву; _ постійна Фарадея.

Оскільки в інженерній практиці прийнято визначати швидкість корозії в мм/рік, то для цього випадку, із урахуванням значення постійної , формула (13) набуває вигляду:

.

Описавши, у першому наближенні, зміну в часі електрохімічних параметрів та за лінійним законом та використавши співвідношення (9)-(11) та (14), були проведені розрахунки глибини корозійного пошкодження компонентів досліджуваних з'єднань в залежності від складу середовища та заданого терміну експлуатації .

Типовий приклад такого розрахунку, виконаний для терміну експлуатації з'єднання в середовищах різного складу (рис. 9), свідчить, що корозійна пошкоджуваність є максимальною на стиках „метал - зварна зона” і достатньо швидко зменшується по мірі віддалення від зварного шва.

На цій підставі корозійну пошкоджуваність комбінованого зварного з'єднання характеризували максимальною глибиною пошкодження окремих його компонентів (рис 10), а саме: - сталі 12Х1МФ; - зварної зони, прилеглої до цієї сталі; - зварної зони, прилеглої до сталі 12Х18Н10Т та - сталі 12Х18Н10Т. Окрім цього, введемо поняття зони корозійної активності зварного з'єднання (рис. 10), яку визначали, задавшись умовою: .

Рис. 9. Глибина корозійної пошкоджуваності h компонентів зварного з'єднання базі : а - дистильована вода; б - ; в -

Зростання концентрації хлоридів в середовищі призводить до зростання максимальної глибини пошкодження в основних матеріалах. Однак, в розчинах NaCl зварна зона не зазнає пошкодження, а в дистильованій воді максимальні пошкодження в зварній зоні спостерігаються на її стику з іншими компонентами з'єднання. З другої сторони, для всіх середовищ спостерігаються дві спільні тенденції. По перше, на початкових стадіях експлуатації матеріал труби із сталі 12Х1МФ інтенсивно пошкоджується із наступною стабілізацією цього процесу на деякому рівні залежно від складу середовища. Матеріал труби із сталі 12Х18Н10Т практично не пошкоджується при , після чого характер його пошкоджуваності є подібним до сталі 12Х1МФ.

По-друге, для всіх досліджених випадків (рис. 11) існує точка перетину кривих 1 та 4, тобто, починаючи з деякого часу експлуатації, швидкість корозійного пошкодження нержавіючої сталі перевищує пошкоджуваність сталі низько легованої. Це є наслідком суттєвої деградації сталі 12Х18Н10Т внаслідок тривалої дії експлуатаційних умов.

Стосовно довжини зони корозійної активності зварного з'єднання слід відмітити, що вона зростає як з часом експлуатації, так і з ростом концентрації хлоридів в робочому середовищі (рис. 12).

Слід зазначити, що достовірність запропонованої методики розрахунку максимальної глибини корозійної пошкоджуваності компонентів зварного з'єднання була підтверджена шляхом співставлення розрахункових та фактичних (рис. 13) даних про корозійні пошкодження елементів пароперегрівачів на енергоблоках ТЕС.

Рис. 14. Порівняння реальних даних про пошкодження зварного з'єднання після 21 року експлуатації з розрахунковими: 1 - фактичні експлуатаційні пошкодження; 2 - розрахунок (номінальне середовище); 3 - розрахунок (0,03%-ий розчин NaCl)

Порівняння фактичного профілю корозійного пошкодження із розрахунковими показало (рис 14) їх достатню близькість, що свідчить про відповідність запропонованих модельних розрахунків реальному процесу корозійної пошкоджуваності досліджених зварних з'єднань труб із різнорідних сталей.

Рис. 15. Прогнозована корозійна пошкоджуваність зварного з'єднання різнорідних труб на базі 10, 20, 30 та 40 років експлуатації за різних температур випробовувань в робочому середовищі номінального складу

У заключній частині розділу виконано прогнозні розрахунки максимальної глибини корозійної пошкоджуваності компонентів зварного з'єднання, а також довжини зони корозійної активності зварного з'єднання різнорідних труб залежно від планованого терміну експлуатації (10-40 років) в середовищах різного складу (рис. 15).

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено обґрунтування і вирішення науково-технічної задачі, яка полягає у розробленні методики оцінювання локалізованої корозійної пошкоджуваності зварних з'єднань труб із різнорідних сталей, що розглядає комбіноване зварне з'єднання як триелектродну електрохімічну систему. Встановлено характеристики процесу пошкоджень компонентів кільцевих зварних з'єднань труб пароперегрівачів енергоблоків ТЕС (сталь 12Х1МФ - сталь 12Х18Н10Т) в залежності від тривалості їх експлуатації, а також від можливої зміни складу водно-хімічного режиму енергоблоків. В результаті виконання роботи отримані наступні основні результати:

1. Розроблено та апробовано методику і технічні засоби для корозійних досліджень компонентів зварного з'єднання різнорідних сталей на підставі стандартних підходів електрохімії.

2. Вольтамперометричними методами визначено базові електрохімічні характеристики матеріалів з'єднання як у стані поставки, так і експлуатованих протягом 185 тис. год. При цьому був врахований фактор можливого відхилення хімічного складу робочого середовища від номінального і наявність в ньому малих концентрацій іонів хлору. Встановлено, що:

· із збільшенням концентрації агресивних домішок анодні поляризаційні струми зростають більше ніж на порядок, а пасивні ділянки на анодних вітках поляризаційних кривих помітно звужуються для всіх компонентів з'єднання;

· найбільш відчутна різниця між новим та експлуатованим металом спостерігається для сталі 12Х18Н10Т: потенціал корозії зміщається приблизно на 350 мВ в катодну область, а струм корозії підвищується в 2,5 рази;

· із збільшенням часу експлуатації як катодні, так і анодні поляризаційні опори для матеріалу зварної зони та сталі 12Х18Н10Т зменшуються в 3 - 7 разів залежно від складу середовища;

· з підвищенням температури випробувань до 60С у дистильованій воді для експлуатованої сталі 12Х18Н10Т спостерігається суттєве зменшення пасивної ділянки на анодній вітці поляризаційної кривої, а також зміщення потенціалу корозії приблизно на 100 мВ у від'ємну область порівняно з матеріалом в стані поставки.

3. Розглядаючи комбіноване зварне з'єднання як триелектродну електрохімічну систему, на основі методу вирівнювання поляризованостей розроблено аналітичну методику визначення густини корозійного струму на внутрішній поверхні труби як функції потенціалів корозії та поляризаційних опорів компонентів з'єднання, а також провідності корозійного середовища.

4. Одержано порівняльні дані про розподіл густини корозійних струмів на внутрішній поверхні неексплуатованих та експлуатованих зварних з'єднань різнорідних труб в середовищах різного складу та встановлено потенційні зони корозійних пошкоджень.

5. Вперше показано можливість зміни полярності локальних гальванопар в околі зварної зони з'єднання труб зі сталей 12Х1МФ та 12Х18Н10Т в залежності від тривалості його експлуатації, що не прогнозується при використанні відомих існуючих підходів.

6. Запропоновано методику розрахунку максимальної глибини корозійної пошкоджуваності компонентів зварного з'єднання, достовірність якої була підтверджена шляхом співставлення розрахункових та фактичних даних про корозійні пошкодження елементів пароперегрівачів на енергоблоках ТЕС.

7. Зроблено прогнозні оцінки максимальної глибини корозійної пошкоджуваності компонентів зварного з'єднання, а також довжини зони корозійної активності зварного з'єднання різнорідних труб залежно від планованого терміну експлуатації (10-40 років) в середовищах різного складу.

8. Результати роботи були використані для експертного аналізу причин експлуатаційних пошкоджень трубопровідних систем енергоблоків ТЕС з метою вироблення оптимальних рекомендацій щодо їх профілактики та підвищення залишкової довговічності.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лещак Р.Л. Корозійна поведінка зварних з'єднань труб теплоенергетичного призначення в хлоридних розчинах / Р.Л. Лещак // Матеріали відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів ФМІ НАН України (КМН-2003).--Львів.--Видавництво Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України.--2003.--С. 44-47.

2. Лещак Р.Л. Вплив хлоридів на корозійну поведінку зварних з'єднань труб теплоенергетичного призначення / Р.Л. Лещак, А.М. Сиротюк // Матеріали конференції молодих учених із сучасних проблем механіки і математики імені академіка Я.С. Підстригача Тези доповідей.--Львів.--Видавництво ІППММ.--2004.--С. 90-92.

3. Лещак Р.Л. Оцінка поверхневої корозійно-втомної пошкоджуваності трубопровідних сталей / І.М. Дмитрах, А.М. Сиротюк, Р.Л. Лещак // Фізико-хімічна механіка матеріалів, Спецвипуск №4.--2004.--С. 67-72.

4. Лещак Р.Л. Вплив хлоридів на електрохімічну поведінку комбінованого трубчатого зварного з'єднання / Р.Л. Лещак, А.М. Сиротюк // Матеріали конференції молодих учених із сучасних проблем механіки і математики імені академіка Я.С. Підстригача Тези доповідей.--Львів.--Видавництво ІППММ.--2005.--С. 35-36.

5. Лещак Р.Л. Вплив терміну експлуатації на корозійні властивості комбінованих зварних з'єднань труб теплоенергетичного призначення / Р.Л. Лещак, О.Л. Білий // Матеріали XIX відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів ФМІ НАН України (КМН-2005).--Львів.--Видавництво Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України.--2005.--С. 35-40.

6. Лещак Р.Л. Чисельна оцінка густини корозійного струму на внутрішній поверхні трубчастих зварних з'єднань сталей 12Х1МФ-Х18Н10Т / О.Л. Білий, Р.Л. Лещак // Фізико-хімічна механіка матеріалів, Спецвипуск №5.--2006.--С. 84-89.

7. Лещак Р.Л. Оцінка кінетики локалізованих корозійних пошкоджень зварних з'єднань труб елементів пароводяного тракту / І.М. Дмитрах, Б.І. Колодій, О.Л. Білий, Р.Л. Лещак // Фізико-хімічна механіка матеріалів, Спецвипуск №5.--2006.--С. 310-315.

8. Лещак Р.Л. Оцінка розвитку локалізованих корозійних пошкод зварених труб елементів пароводяного тракту ТЕС / І.М. Дмитрах, О.Л. Білий, Б.І. Колодій, Р.Л. Лещак // Фізико-хімічна механіка матеріалів.--№4.--2006.--С. 17-25.

9. Лещак Р.Л. Оцінка розвитку корозійних пошкоджень на поверхнях зварених різнорідних циліндричних труб / О.Л. Білий, Р.Л. Лещак // Матеріали IV Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології».--Київ.--Видавництво Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.--2007.--С. 43.

10. Лещак Р.Л. Методика випробувань до розрахунку залишкового ресурсу експлуатації трубопроводів / Р.Л. Лещак, О.Л. Білий // Матеріали IV Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології”.--Київ.--Видавництво Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.--2007.--С. 48.

11. Лещак Р.Л. До оцінки глибини корозійного пошкодження внутрішньої поверхні труб елементів пароводяного тракту / І.М. Дмитрах, О.Л. Білий, Р.Л. Лещак // Машинознавство.--№4.--2007.--С. 3-6.

12. Лещак Р.Л. Вплив температурного фактора на розвиток корозійної ситуації в околі зварних швів труб теплоенергетичного призначення / Р.Л. Лещак, О.Л. Білий // Матеріали XX відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів ФМІ НАН України (КМН-2007).--Львів.--Видавництво Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України.--2007.--С. 29-32.

АНОТАЦІЇ

Лещак Р.Л Методика оцінювання корозійної пошкоджуваності зварних з'єднань труб із різнорідних сталей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.17.14 - хімічний опір матеріалів та захист від корозії. - Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2011.

Дисертація присвячена проблемі локалізованої корозійної пошкоджуваності зварних з'єднань різнорідних труб із низьколегованої сталі 12Х1МФ та нержавіючої сталі 12Х18Н10Т.

Розроблено експериментально-розрахунковий метод оцінювання локалізованої корозійної пошкоджуваності зварних з'єднань різнорідних труб, що ґрунтується на базових електрохімічних характеристиках їх компонентів та аналітичній моделі визначення густини корозійного струму на внутрішній поверхні труби, що розглядає комбіноване зварне з'єднання як триелектродну електрохімічну систему. Вперше показано можливість зміни полярності локальних гальванопар в околі зварної зони з'єднання труб зі сталей 12Х1МФ та 12Х18Н10Т в залежності від тривалості його експлуатації, що не прогнозується при використанні відомих існуючих підходів. Встановлено значення максимальної глибини пошкоджень компонентів кільцевих зварних з'єднань труб пароперегрівачів енергоблоків (сталь 12Х1МФ - сталь 12Х18Н10Т) в залежності від тривалості їх експлуатації, а також від можливої зміни складу водно-хімічного режиму енергоблоків.

Ключові слова: зварні з'єднання різнорідних труб, низьколегована сталь, нержавіюча сталь, локалізована корозійна пошкоджуваність, чисельно-аналітична модель, поляризаційна крива, густина корозійного струму, швидкість корозії, глибина корозійної пошкоджуваності.

Лещак Р.Л Методика оценки коррозионной повреждаемости сварных соединений труб из разнородных сталей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.14 - химическое сопротивление материалов и защита от коррозии. - Физико-механический институт им. Г.В. Карпенка НАН Украины, Львов, 20011.

Диссертация посвящена проблеме локализованной коррозионной повреждаемости сварных соединений разнородных труб из низколегированной стали 12Х1МФ и нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

Разработан экспериментально-расчетный метод оценки локализованной коррозионной повреждаемости сварных соединений разнородных труб основанный на электрохимических характеристиках их компонентов и аналитической модели для определения плотности коррозионного тока на внутренней поверхности трубы, которая рассматривает комбинированное сварное соединение как трехэлектродную электрохимическую систему. Вольтамперометрическими методами определены базовые электрохимические характеристики (потенциал коррозии, плотность коррозионного тока, а также удельные поляризационные сопротивления анодных и катодных реакций) материалов соединения, как в состоянии поставки, так и эксплуатированных на протяжении 185 тысяч часов. При этом был учтен фактор возможного отклонения химического состава рабочей среды и наличия в ней малых концентраций ионов хлора. Впервые показана возможность изменения полярности локальных гальванопар в окрестности сварной зоны соединения труб из сталей 12Х1МФ и 12Х18Н10Т в зависимости от длительности его эксплуатации, что не прогнозируется при использовании существующих подходов. Предложена методика расчета глубины коррозионной повреждаемости компонентов сварного соединения, достоверность которой была подтверждена путем сравнения расчетных и фактических данных о коррозионной повреждаемости элементов пароперегревателей на энергоблоках ТЭС. Сделаны прогнозные оценки максимальной глубины коррозионной повреждаемости компонентов сварного соединения, а также длины зоны коррозионной активности сварного соединения в зависимости от планированного срока эксплуатации (10-40 лет) в рабочих средах различного состава.

Результаты работы были использованы для экспертного анализа причин эксплуатационных повреждений трубопроводных систем энергоблоков ТЭС с целью выработки оптимальных рекомендаций проведения их диагностики и повышения остаточной долговечности.

Ключевые слова: сварные соединения разнородных труб, низколегированная сталь, нержавеющая сталь, локализованная коррозионная повреждаемость, численно-аналитическая модель, поляризационная кривая, плотность коррозионного тока, скорость коррозии, глубина коррозионной повреждаемости.

Leshchak R.L. Method for corrosion damaging assessment of welded joints of pipes with dissimilar steels. - Manuscript.

The dissertation for gaining a scientific degree of the candidate of engineering sciences in specialty 05.17.14. - chemical resistance of materials and protection against corrosion - Karpenko Physico-Mechanical Institute of National Academy of Science of Ukraine, Lviv, 2011.

The dissertation is devoted to problem of localised corrosion damaging of welded joints of dissimilar pipes with low-alloyed steel 12Х1МФ and stainless steel 12Х18Н10Т.

Considering of welded joints of dissimilar pipes as a three-electrode electrochemical system, an analytic procedure for the evaluation of corrosion current density distribution at the welded zone is proposed. On this basis the experimental-numerical method for prediction of profile and maximum depth of local corrosion defects in the components of welded joints has been developed. The data on general characterisation and maximal depth of localised damaging on internal surface of pipes were received and analysed with dependence of term exploitation and composition of operating environment. In particular, the possibility of changing the polarity of local galvanic couples in the vicinity of the welding zone depending on the period of operation has been shown and that cannot be predicted within the framework of the existed approaches.

Proposed model and received data can be served as basis for prediction of the given welded joint behaviour during long-term exploitation with the aim to prevent the catastrophic situations.

Key words: welded joints of dissimilar pipes, low-alloyed steel, stainless steel, localised corrosion damaging, numeric-analytical model, polarization curve, corrosion current density, rate of corrosion, depth of corrosion damaging.

Размещено на Allbest.ru

...