6.2.4. Сорбционные разрушения элементов оборудования

Водород относится к числу наиболее сильных сорбционно-активных сред по отношению к металлам и сплавам.

Он оказывает существенное влияние на механические свойства большинства металлов. У пластичных малоуглеродистых сталей вызывает резкое снижение относительного удлинения, поперечного сужения, ударной вязкости; у высокоуглеродистых закаленных сталей с повышенными прочностными характеристиками – уменьшение предела прочности. Даже при отсутствии внешних нагрузок происходит растрескивание сталей.

По механизму взаимодействия водорода с металлом следует выделить два различных, но взаимосвязанных процесса: адсорбция – молекулярное взаимодействие водорода с поверхностью металла, приводящее к образованию насыщенного слоя водорода на границе раздела газ – металл, и абсорбция – растворение водорода в массе металла.

Поверхность металла обычно обладает достаточно высокой адсорбционной способностью, ввиду наличия у нее значительной свободной поверхностной энергии, обусловленной особенностями металлической связи.

Процесс растворения водорода в металлах сопровождается процессом диссоциации молекул водорода на атомы, так как в молекулярном состоянии водород не растворяется в металлах. Процесс диссоциации является необходимым условием для образования раствора водорода в кристаллах металла.

Водород обладает большой склонностью к диффузии в твердых телах. Особенно большой подвижностью он обладает в металлах, что объясняется его малыми размерами и строением атома. Принято считать, что водород в металлических растворах находится в виде протона, чем и обусловливается его большая подвижность. Растворяясь в кристаллической решетке стали, атомы водорода отдают свои электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (протоны). Ионы водорода диффундируют в кристаллической решетке стали с высокой скоростью. Встречая на своем пути какие-либо дефекты (микропустоты, трещины, раковины, дислокации и т.п.), они выходят из кристаллической решетки и, молизуясь, создают в объеме микродефекта большое внутреннее давление до 4,0 тыс. МПа и выше, что вызывает деформирование кристаллической решетки металла и приводит к потере вязкости, т.е. возникает водородная хрупкость.

Увеличение количества нарушений в структуре металла в процессе пластических деформаций увеличивает локализацию в них водорода, в результате чего может возникнуть торможение пластической деформации, а, следовательно, создаются условия для хрупкого разрушения.

6.2..5. Коррозионно-механические разрушения элементов оборудования

Коррозионно-механические разрушения возникают при совместном воздействии на элементы оборудования коррозионно-активной среды и механической нагрузки.

Различают следующие виды коррозионно-механического разрушения элементов оборудования: коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, коррозия при трении.

Коррозионное растрескивание возникает при действии статических напряжений в весьма агрессивной по отношению к данному металлу агрессивной среде. Причинами подобного разрушения являются пониженная коррозионная стойкость границ зерен в результате выделения из пересыщенного твердого раствора фазы с отрицательным потенциалом, наличие в сплаве структурной составляющей, неустойчивой по отношению к данной коррозионной среде; наводороживание границ зерен, сопровождающееся развитием значительных давлений, снижающих межкристаллитную прочность.

Это хрупкое разрушение происходит под действием лишь нормальных растягивающих напряжений, вызванных внешней нагрузкой, или остаточных напряжений растяжения. Коррозионное растрескивание не связано с общей коррозионной стойкостью металла, Например, углеродистые и малоуглеродистые стали практически не корродируют в щелочных средах но в то же время они подвержены коррозионному растрескиванию, называемому в этом случае щелочной хрупкостью. Коррозионное растрескивание происходит в щелочных и кислых средах и носит, в основном, межкристаллитный характер. Характерной чертой коррозионного растрескивания является то, что разрушение стали происходит без заметных пластических деформаций и может произойти внезапно.

Коррозионная усталость представляет собой процесс разрушения металлов и сплавов при одновременном действии коррозионной среды и циклических напряжений. Механизм усталостного разрушения металлов и сплавов в коррозионно-активных средах достаточно сложен и в значительной степени определяется режимом нагружения, величиной действующих напряжений, видом напряженного состояния, физико-химическими свойствами материала и контактирующей с ним среды.

Процесс коррозионно-усталостного разрушения металлов обычно протекает в три стадии. Первая характеризует период до возникновения трещины, в течение которого образуются специфические гальванические пары и возникают зародыши трещин. Вторая стадия характеризуется значительной потерей прочности из-за развития усталостных трещин. Третья стадия является чисто механическим разрушением оставшегося сечения изделия при напряжениях, превышающих предел прочности металла.

Характерной особенностью коррозионной усталости металлов является отсутствие предела выносливости в отличие от усталости на воздухе.

Механическое изнашивание, усиливаемое явлениями коррозии, называют коррозионно-механическим изнашиванием. Различают следующие виды коррозионно-механического изнашивания: окислительное, фреттинг-коррозия, изнашивание в средах, являющихся электролитами.

Окислительное изнашивание происходит при наличии на поверхностях трения окисных пленок, предотвращающих сближение контактирующих поверхностей до расстояния, на котором происходит их схватывание. По мере износа окисные пленки вновь восстанавливаются вследствие воздействия металла с кислородом воздуха.

Фреттинг-коррозия – процесс изнашивания, представляющий собой сочетание фреттинга с коррозией. Фреттингом называют особый вид изнашивания контактирующих поверхностей, совершающих под нагрузкой очень малые повторные относительные перемещения, например, продольные вибрации.

Изнашивание в средах, являющихся электролитами, представляет собой сочетание механического изнашивания с коррозией.