Среды вызывающие коррозионное растрескивание металла

Обновлено: 17.05.2024

Коррозионное растрескивание металлов – это один из видов коррозионных разрушений (коррозии), при котором в металле зарождается и развивается множество трещин. Возникает коррозионное растрескивание при одновременном воздействии на металл агрессивной коррозионной среды и растягивающих напряжений. Характерной особенностью коррозионного растрескивания является практически полное отсутствие пластической деформации металлического изделия.

Коррозионное растрескивание – очень опасный вид разрушения металла, т.к. не всегда его можно вовремя заметить. Чаще всего коррозионному растрескиванию подвергаются металлы, в которых после механической или термической обработки присутствуют остаточные напряжения. Также металлические изделия, эксплуатируемые при повышенных температурах и давлениях. Встречается коррозионное растрескивание при сварке, сборке или монтаже металлических деталей и т.п.

Коррозионному растрескиванию могут подвергаться все металлы и сплавы, которые находятся в напряженном состоянии. Большое влияние на интенсивность коррозионного растрескивания оказывает коррозионная среда (ее характер, состав и концентрация агрессивных агентов).

В теплоэнергетической, химической и нефтегазовой отраслях 20 – 40% всех коррозионных разрушений приходится именно на коррозионное растрескивание.

Особенности коррозионного разрушения металлов:

- существует возможность возникновения транскристаллитных и межкристаллитных трещин с разветвлениями;

- металл с появлением трещин охрупчивается;

- от величины приложенных растягивающих напряжений зависит время до начала образования трещины (индукционный период).

Коррозионное растрескивание сталей наблюдается в растворах, которые содержат кислоты, хлориды, щелочи, нитраты, H₂S, CO₂, NH₃. Менее склонны к коррозионному растрескиванию углеродистые стали с перлитной или перлитно-ферритной структурой, содержащие в своем составе более 0,2% углерода. Мартенситная структура стали является самой чувствительной к данному виду коррозии, т.к. все режимы термообработки, в результате которых образуется мартенсит, делают сталь склонной к коррозионному растрескиванию.

Хромоникелевые аустенитные стали более подвержены коррозионному растрескиванию, чем ферритные и полуферритные хромистые стали. В нержавеющих сталях аустенит не обладает достаточной стабильностью и в условиях химических предприятий достаточно часто встречается коррозионное растрескивание аустенитных хромоникелевых сталей. Введение стабилизаторов, легирующих компонентов, увеличение содержания никеля не оказывает существенного воздействия на склонность аустенитных сталей к коррозионному воздействию.

Коррозионному растрескиванию подвержены не только черные металлы и сплавы, а и цветные (например, медноцинковые и алюминиевомагниевые сплавы). В присутствии паров аммиака быстро корродируют с коррозионным растрескиванием сплавы меди с оловом, цинком и алюминием. А в растворах карбонатов, хлоридов, сульфатов и хроматов разрушаются магниевые сплавы, которые находятся в напряженном состоянии.

Коррозионное растрескивание

Коррозийное растрескивание – это один из видов повреждения металла, который приводит к нарушению его целостности, уменьшению срока службы или полному выходу из строя. Рассмотрим, как происходит и распространяется такой процесс, а также как значительно уменьшить риск его появления.

Что такое коррозийное растрескивание металла

Растрескиванием называют один из распространенных типов коррозии, при котором в металле возникает большое количество трещин. Обычно чтобы такой процесс запустился, на изделие должна одновременно воздействовать негативная внешняя среда и сильное растяжение.

При растрескивании может не наблюдаться пластической деформации. При этом трещины будут накапливаться внутри, и прочность может быть потеряна внезапно.

Специалисты отмечают высокую опасность такого процесса. Она заключается в том, что металл растрескивается практически незаметно. В итоге разрушение детали или конструкции может произойти внезапно. Это представляет особенную опасность в том случае, если металлоконструкция используется на ответственных участках или под большой постоянной нагрузкой.

Серьезным фактором формирования такого процесса становится сохранение остаточного напряжения. Оно может возникать в результате проведения термической обработки или разных видов механического воздействия. В группе риска оказываются предметы, которые используются под воздействием высоких температур, подвергаются соединению между собой с использованием сварки.

Трещины в структуре могут появиться и в том случае, если сплав или металл находится под постоянным действием напряжения, сильного натяжения. Ускоряет процесс коррозийного разрушения и внешняя среда. Она же определяет его основной характер.

Статистика показывает, что чаще всего от коррозийного растрескивания страдают металлические изделия, которые используются в таких отраслях, как химическая и нефтегазовая промышленности, энергетический сектор. На данный тип повреждения приходится до 40% от всей выявленной коррозии.

Важные особенности коррозийного растрескивания

Есть несколько важных характеристик, которые можно причислить к ярким особенностям такого типа коррозийных повреждений. К ним относятся такие, как:

Большая вероятность формирования протяженных разветвленных трещин кристаллического и межкристаллического типа.
Стремительное увеличение хрупкости металла вплоть до его полного разрушения даже без приложения сильных нагрузок или механического воздействия.
Изменчивая продолжительность индукционного периода, на которую влияет особенность среды использования, продолжительность нахождения детали под сильным напряжением.

Развитие коррозийного растрескивания в зависимости от области использования материала

Существуют различные виды коррозионного растрескивания, и сам процесс может протекать по-разному. В группе риска оказываются изделия, которые погружаются или периодически контактируют с хлоридами, нитратами, кислотами и щелочами.

Специалисты отмечают, что достаточно низкий уровень риска появления повреждения показывают углеродистые стали, если в них формируется перлитно-ферристая или перлитная структура.

В группе повышенного риска возникновения трещин оказываются такие материалы, как:

Хромоникелевые аустенитные стали. Это связано с низкой стабильностью аустенита и общей склонностью к возникновению коррозийных трещин. Опасность заключается в том, что проблема не устраняется даже при использовании стабилизаторов – это один из наиболее распространенных методов уменьшения риска коррозионного поражения.
Стали с мартенситной структурой. Причина повышенного риска в таком случае связана с предварительной термической обработкой, большой вероятностью того, что будет накоплено остаточное напряжение.

Испытания на коррозионное растрескивание показывают, что оно может формироваться как в черных, так и в цветных сплавах. Дополнительным фактором риска становится контакт с агрессивными средами, парами аммиака, а также хлоридами, сульфатами, карбонатами.

Коррозионное растрескивание под напряжением

Коррозийное растрескивание под напряжением (КРПН) – это растрескивание, вызванное комбинированным воздействием растягивающего напряжения и коррозионности среды. Воздействие КРПН обычно проявляется на свойствах металла в виде (так называемого) "сухого" растрескивания или в виде снижения порога усталости материала. Растягивающие напряжения могут быть как в форме непосредственно прилагаемого напряжения или в виде остаточного напряжения.

Коррозионное растрескивание под напряжением (КРПН) характеризуется трещинами, распространяющимися либо транскристаллически, либо межкристаллитно (вдоль границ зерен). Существует несколько типов коррозионного растрескивания под напряжением (КРПН), например: КРПН, вызываемое хлоридом, и КРПН, вызываемое сероводородом (H₂S).

Коррозионное растрескивание под напряжением (КРПН) является результатом комбинированного действия трех факторов:

Растягивающее напряжение в металле
Агрессивные среды - особенно хлоридсодержащие или сероводородсодержащие (H2S) среды. КРПН, вызываемое хлоридом, обычно происходит при температуре выше 60 °C (140 °F)
Использование восприимчивых к коррозионному растрескиванию под напряжением (КРПН) материалов

Коррозионному растрескиванию под напряжением изделий из нержавейки в хлоридсодержащей среде предшествует точечная коррозия, которая происходит в том случае, когда нержавеющая сталь не обладает достаточной устойчивостью к точечной коррозии. Таким образом в металле появляются трещины, которые со временем увеличиваются. В конечном итоге это приводит к потере контакта между зернами металла.

Причины коррозионного растрескивания под напряжением (КРПН)

Образование трещин в металле происходит в местах напряжения.

Этот процесс предполагает ускоренную коррозию вдоль траектории повышенной коррозийной восприимчивости, при этом основная часть материала, как правило, не подвергается коррозийному разрушению. Чаще всего активная траектория проходит по границе зерна, где примеси могут затруднять пассивирование.

Таким образом, может развиться некоторая форма щелевой коррозии, в результате чего будет корродировать граница зерна, а поверхность вокруг трещины останется цельной. Этот процесс может происходить при отсутствии нагрузки, и приводить к межкристальной коррозии, которая равномерно распространится по поверхности материала. Эффект от приложенного напряжения, вероятно, заключается в основном в раскрытии трещин, а следовательно в облегчении процесса распространения продуктов коррозии по направлению - от вершины трещины – что, в свою очередь, также приведёт к ускорению процесса коррозии. Коррозионные процессы вдоль активной траектории по своей природе ограничены скоростью коррозии металла на вершине трещины: это ограничивает максимальную скорость роста трещин до 10-2 мм/с, но темпы роста трещин зачастую гораздо ниже, примерно около 10-8 мм/с (около 1 мм в течение 3-х лет) или даже меньше.

Холодная деформация и формовка, сварка, термообработка, механическая обработка и шлифовка могут быть причинами возникновения остаточных напряжений. Величина и важность таких напряжений часто недооценивается. Остаточное напряжение, появившееся в результате сварочных работ, как правило, стремится к (условному) пределу текучести. Рост количества продуктов коррозии в закрытых пространствах также может вызывать значительные нагрузки и этот аспект нельзя упускать из виду. КРПН обычно происходит в результате влияния комбинации трёх факторов: чувствительности сплава, неблагоприятной окружающей среды и воздействия нагрузки.

Как правило, большая части поверхности не подвержена разрушительной силе коррозии, однако мелкие трещины все же способны проникать в материал. По своей микроструктуре эти трещины могут иметь межкристальную или транскристальную морфологию. Трещины под воздействием КРПН макроскопически обладают хрупким внешним видом. КРПН классифицируется как катастрофический вид коррозии в связи с тем, что обнаружение таких мелких трещин может быть весьма затруднено, а ущерб от их возникновения предсказать очень не просто. Экспериментальные статистические данные о КРПН печально известны своим широким разбросом. Ужасное разрушение может произойти совершенно неожиданно даже при минимальной общей потере материала.

Микрофотография (X500) иллюстрирует межкристаллическую КРПН в трубе теплообменника с трещиной по границам зерен.

Микрофотография (X300) иллюстрирует КРПН в трубопроводной системе химической обработки из нержавеющей стали AISI 316. Трещины от хлоридной коррозии под напряжением в аустенитной нержавеющей стали характеризуются несколькими разветвленными "молниями".

КРПН под воздействием хлорида

Это одна из самых важных форм коррозии под напряжением: она имеет отношение к коррозии под воздействием хлорида в атомной отрасли. Коррозия под воздействием хлорида является разновидностью межкристаллитной коррозии, которая происходит в аустенитной нержавеющей стали под растягивающим напряжением в присутствии кислорода, ионов хлорида и высокой температуры. Считается, что она начинается с того, что карбид хрома накапливается вдоль границ, которые делают металл не защищённым от коррозии. Эта форма коррозии контролируется сохранением низкого уровня ионов хлорида и кислорода в окружающей среде, а также использованием низкоуглеродистой стали.

Коррозийное растрескивание под напряжением вызываемое H2S
Технологические жидкости, применяемые в нефтяной и газовой промышленности для увлажнительных и окислительных работ, часто содержат определенное количество сероводорода (H2S). При рассмотрении риска возникновения коррозии, вызываемой кислыми технологическими жидкостями, необходимо принимать во внимание не только величину рН, но и парциальное давление H2S. Кроме того, стоит обращать внимание на температуру, содержание кислорода и хлора, а также на присутствие каких-либо твердых частиц (таких как песок).

Подтверждается, что коррозионное растрескивание под напряжением, вызываемое H2S, чаше всего протекает при температуре около 80 °C (176 °F), но растрескивание может произойти и при температуре ниже 60 °C (140 °F).

Как сократить риск коррозионного растрескивания под напряжением (КРПН)

Риск коррозионного растрескивания под напряжением (КРПН) можно свести к минимуму за счет качественного проектирования оборудования и инвентаря. Особенно важно избегать концентрации механического напряжения растяжения, которое появляется на острых кромках и вырезах. Во многих случаях проблемы коррозионного растрескивания под напряжением (КРПН) могут быть решены путем правильного выбора подходящего материала.

Наиболее эффективными средствами для предотвращения КРПН являются:

правильное использование соответствующих металлов;
снижение напряжения;
устранение критически-значимых элементов из окружающей среды: гидроксидов, хлоридов и кислорода;
избегание застойных зон и щелей в теплообменниках, где могут концентрироваться хлорид и гидроксид. Низколегированная сталь менее восприимчива, чем высоколегированная, но она может быть подвержена КРПН благодаря воде с содержанием ионов хлорида.

Аустенитные стали типа ASTM304 и 316 имеют ограниченную стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением (КРПН) даже при очень низком содержании хлора и низких температурах.

Коррозионное растрескивание — растрескивание металлов при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих напряжений. Это один из наиболее опасных видов коррозии. Ему присущи следующие особенности:

хрупкий характер трещин;
направление трещин, перпендикулярное к растягивающим напряжениям;
образование межкристаллитных, транскристаллитных или смешаных трещин с разветвлениями;
зависимость промежутка времени до растрескивания от уровня приложенных извне растягивающих напряжений;

Коррозионное растрескивание наблюдается у многих сталей и сплавов, но только в некоторых коррозионных средах. Процесс развития трещины состоит из трех стадий:

инкубационная — образование на поверхности металла первичных микротрещин;
развитие коррозионной трещины;
конечное лавинообразное разрушение;

Как видно из рисунка, на стадии 1 скорость развития трещины не велика, на стадии 2 происходит ее скачкообразное увеличение, а на стадии 3 наблюдается лавинообразное механическое разрушение. Наиболее продолжительной является стадия 1 (>85% общего времени растрескивания).

Считается, что процесс коррозионного растрескивания имеет электрохимическую природу. При этом концентратор напряжения является анодом, а остальная поверхность — катодом.

Для образования трещин необходимы следующие условия:

неравномерное распределение растягивающих усилий;
наличие коррозионной среды, увеличивающей скорость коррозии под напряжением и локализирующей анодный процесс;
скорость коррозии в месте концентратора напряжений большая, чем скорость коррозии на остальной поверхности;

Особенности коррозионного растрескивания в различных сплавах

Малоуглеродистые низколегированные стали

Данный вид стали подвергается коррозионному растрескиванию в нагретых щелочах, нитратах, растворах HCN, сероводородсодержащих средах. С увеличением прочности этих сталей их склонность к растрескиванию увеличивается.

Низколегированные высокопрочные стали

Помимо нитратов и щелочей могут растрескиваться в растворах кислот и нейтральных растворах.Стойкость таких сталей к растрескиванию в кислотах повышается в ряду HCl → H₂SO₄ → HNO₃ и снижается во влажной среде. Внутренние напряжения в низколегированных высокопрочных сталях повышают склонность к растрескиванию, а напряжения сжатия — понижают. По этой причине закалка может способствовать растрескиванию.

Нержавеющие стали

Нержавеющие стали растрескиваются в горячих растворах, содержащих ионы Cl – , в растворах щелочей и сероводородсодержащих средах. В отличие от низколегированных сталей, в которых трещины имеют в основном межкристаллитный характер, нержавеющие хромоникелевые стали образуют трещины транскристаллитного характера. Считается, что образованию таких трещин предшествует пластическая деформация.

Сплавы цветных металлов

медные сплавы (особенно латуни) подвержены растрескиванию в средах, содержащих NH₃, SO₂;
алюминиевые сплавы — в растворах, содержащих Cl – ;
магниевые сплавы — во влажной среде, в разбавленных растворах NaOH, HF, HNO₃, NaCl + H₂O;

Водородное растрескивание

Наблюдается у низколегированных сталей при коррозии с водородной деполяризацией за счет усиления анодного процесса и наводороживания. В этом случае первая стадия катодного процесса состоит в образовании атомов адсорбированного водорода и их частичной диффузии в сталь. Вторая стадия — молизация адсорбированного водорода. Все условия, приводящие к торможению второй стадии, способствуют увеличению наводороживания.

Наводороживаниесталй вызывает уменьшение их пластичности при кратковременном разрыве и понижение длительной прочности. Такое изменение механических свойств принято называть водородной хрупкостью.

Ржавостоп применяется как самостоятельное финишное покрытие, а также в качестве противокоррозионного грунтовочного слоя перед окраской любыми видами эмалей.

АКРОМАТ 1651 — грунт-эмаль с декоративным молотковым эффектом для защиты поверхностей из стали, оцинкованной стали, алюминиевых и медных сплавов.

Эпоксидная грунтовка EP-ZP рекомендована к применению в качестве грунтовки в системах покрытий и в качестве самостоятельно покрытия при отсутствии УФ-излучения

Читайте также: