Коррозионное растрескивание под напряжением

Рост трещин в агрессивной среде

Коррозионное растрескивание под напряжением, вызванное напряжением, возникающим в неправильно сваренном армирующем воротнике

Крупный план поверхности стального трубопровода, на котором видно коррозионное растрескивание под напряжением (два кластера маленьких черных линий), обнаруженное с помощью магнитопорошкового контроля . Трещины, которые обычно были бы невидимы, обнаруживаются благодаря магнитным частицам, скапливающимся в отверстиях трещин. Шкала внизу в сантиметрах (каждое деление соответствует миллиметру).

Коррозионное растрескивание под напряжением ( SCC ) — это рост трещинообразования в коррозионной среде. Это может привести к неожиданному и внезапному отказу обычно пластичных металлических сплавов, подвергающихся растягивающему напряжению , особенно при повышенной температуре. SCC является высокоспецифичным химически, поскольку некоторые сплавы, вероятно, подвергаются SCC только при воздействии небольшого количества химических сред. Химическая среда, вызывающая SCC для данного сплава, часто является той, которая является лишь слабо коррозионной для металла. Следовательно, металлические детали с серьезным SCC могут выглядеть яркими и блестящими, будучи при этом заполненными микроскопическими трещинами. Этот фактор делает SCC обычным явлением, когда оно остается незамеченным до отказа. SCC часто прогрессирует быстро и более распространено среди сплавов, чем среди чистых металлов. Конкретная среда имеет решающее значение, и для возникновения катастрофического растрескивания, часто приводящего к разрушительному и неожиданному отказу, необходимы лишь очень небольшие концентрации определенных высокоактивных химикатов. ^[1]

Напряжения могут быть результатом щелевых нагрузок из-за концентрации напряжений или могут быть вызваны типом сборки или остаточными напряжениями от изготовления (например, холодной обработкой); остаточные напряжения могут быть сняты отжигом или другими видами обработки поверхности. Неожиданный и преждевременный отказ оборудования для химических процессов, например, из-за коррозионного растрескивания под напряжением, представляет серьезную опасность с точки зрения безопасности персонала, эксплуатационных объектов и окружающей среды. Снижая надежность этих типов оборудования, такие отказы также отрицательно влияют на производительность и рентабельность.

Механизмы

Коррозионное растрескивание под напряжением в основном затрагивает металлы и металлические сплавы . Аналогичный эффект, также известный как растрескивание под воздействием окружающей среды, также затрагивает другие материалы, такие как полимеры , керамика и стекло .

Металлы

Более низкий pH и более низкий приложенный окислительно-восстановительный потенциал способствуют выделению и обогащению водорода в процессе SCC, тем самым увеличивая интенсивность SCC. ^[2]

• Некоторые аустенитные нержавеющие стали и алюминиевые сплавы растрескиваются в присутствии хлоридов . Это ограничивает пригодность аустенитной нержавеющей стали для удержания воды с содержанием хлоридов выше нескольких частей на миллион при температурах выше 50 °C (122 °F);
• трещины мягкой стали в присутствии щелочей (например, трещины в котлах и коррозионное растрескивание под действием щелочи ) и нитратов ;
• медные сплавы растрескиваются в аммиачных растворах ( сезонное растрескивание );
• Известно, что высокопрочные стали могут неожиданно растрескиваться в самых разных водных средах, особенно в присутствии хлоридов.

За возможным исключением последнего, который является особым примером водородного растрескивания , все остальные демонстрируют явление субкритического роста трещин , т. е. небольшие поверхностные дефекты распространяются (обычно плавно) в условиях, когда механика разрушения предсказывает, что разрушение не должно произойти. То есть, в присутствии корродента трещины развиваются и распространяются значительно ниже критического коэффициента интенсивности напряжений ( ). Субкритическое значение интенсивности напряжений, обозначенное как , может быть менее 1% от . ${\displaystyle K_{\mathrm {Ic} }}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {Iscc} }}$ ${\displaystyle K_{\mathrm {Ic} }}$

Полимеры

Похожий процесс ( растрескивание под воздействием окружающей среды ) происходит в полимерах , когда продукты подвергаются воздействию определенных растворителей или агрессивных химикатов, таких как кислоты и щелочи . Как и в случае с металлами, воздействие ограничивается определенными полимерами и определенными химикатами. Таким образом , поликарбонат чувствителен к воздействию щелочей, но не кислот. С другой стороны, полиэфиры легко разрушаются кислотами, и SCC является вероятным механизмом отказа . Полимеры подвержены растрескиванию под воздействием окружающей среды , когда агрессивные агенты не обязательно разрушают материалы химически. Нейлон чувствителен к разрушению кислотами, процессу, известному как гидролиз , и нейлоновые молдинги будут трескаться при воздействии сильных кислот.

Крупный план сломанного нейлонового соединителя топливной трубы из-за SCC

Например, поверхность излома топливного соединителя показала прогрессирующий рост трещины от кислотного воздействия (Ch) до конечного выступа (C) полимера. В этом случае разрушение было вызвано гидролизом полимера при контакте с серной кислотой, вытекающей из автомобильного аккумулятора . Реакция деградации является обратной реакцией синтеза полимера:

Озоновое растрескивание в трубках из натурального каучука

Трещины могут образовываться во многих различных эластомерах под воздействием озона , еще одной формы SCC в полимерах. Крошечные следы газа в воздухе будут воздействовать на двойные связи в резиновых цепях, причем натуральный каучук , стирол-бутадиеновый каучук и нитрил-бутадиеновый каучук наиболее чувствительны к деградации. Озоновые трещины образуются в изделиях под напряжением, но критическая деформация очень мала. Трещины всегда ориентированы под прямым углом к ​​оси деформации, поэтому будут образовываться по окружности в согнутой резиновой трубке. Такие трещины опасны, когда они возникают в топливных трубках, потому что трещины будут расти от внешних открытых поверхностей в отверстие трубы, поэтому может последовать утечка топлива и возгорание. Озоновое растрескивание можно предотвратить, добавив антиозонанты в резину перед вулканизацией . Озоновые трещины часто наблюдались в боковинах автомобильных шин , но теперь встречаются редко благодаря использованию этих добавок. С другой стороны, проблема повторяется в незащищенных изделиях, таких как резиновые трубки и уплотнители.

Керамика

Этот эффект значительно менее распространен в керамике, которая обычно более устойчива к химическому воздействию. Хотя фазовые изменения обычны для керамики под напряжением, они обычно приводят к упрочнению, а не к разрушению (см. Диоксид циркония ). Недавние исследования показали, что та же движущая сила для этого механизма упрочнения может также усиливать окисление восстановленного оксида церия, что приводит к медленному росту трещин и спонтанному разрушению плотных керамических тел. ^[3]

Стекло

На рисунке показаны области различного распространения трещин при коррозионном растрескивании под напряжением. В области I распространение трещины определяется химической атакой напряженных связей в трещине. В области II распространение контролируется диффузией химического вещества в трещину. В области III интенсивность напряжения достигает критического значения и распространяется независимо от окружающей среды.

Распространение субкритических трещин в стеклах делится на три области. В области I скорость распространения трещин увеличивается с влажностью окружающей среды из-за химической реакции между стеклом и водой, усиливаемой напряжением. В области II скорость распространения трещин контролируется диффузией и зависит от скорости, с которой химические реагенты могут транспортироваться к кончику трещины. В области III распространение трещины не зависит от ее окружения, достигнув критической интенсивности напряжения. Химические вещества, отличные от воды, такие как аммиак, могут вызывать распространение субкритических трещин в кварцевом стекле, но они должны иметь сайт донора электронов и сайт донора протонов . ^[4]

Профилактика

• Остаточные напряжения сжатия, создаваемые лазерной наклепкой, точно контролируются как по местоположению, так и по интенсивности и могут применяться для смягчения резких переходов в области растяжения. Лазерная наклепка создает глубокие остаточные напряжения сжатия, которые в 10–20 раз глубже, чем обычная дробеструйная наклепка, что делает их значительно более полезными для предотвращения SCC. ^[5] Лазерная наклепка широко используется в аэрокосмической и энергетической промышленности в газотурбинных двигателях. ^[6]
• Выбор материала: правильный выбор материала для конкретной среды может помочь предотвратить SCC. Материалы с более высокой устойчивостью к коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением следует использовать в коррозионных средах. Например, использование нержавеющей стали вместо углеродистой стали в морской среде может снизить вероятность SCC. ^[7]
• Защитные покрытия: Нанесение защитного покрытия или барьера может помочь предотвратить контакт едких веществ с металлической поверхностью, тем самым снижая вероятность SCC. Например, использование эпоксидного покрытия на внутренней поверхности трубопровода может снизить вероятность SCC. ^[7]
• Катодная защита: Катодная защита — это метод защиты металлов от коррозии путем подачи небольшого электрического тока на поверхность металла. Этот метод также может помочь предотвратить SCC, снижая коррозионный потенциал металла. ^[7]
• Контроль окружающей среды: контроль окружающей среды вокруг металла может помочь предотвратить SCC. Например, снижение температуры или кислотности окружающей среды может помочь предотвратить SCC. ^[7]
• Проверка и техническое обслуживание: Регулярные проверки и техническое обслуживание могут помочь обнаружить SCC до того, как это приведет к отказу. Это включает визуальный осмотр, неразрушающий контроль и мониторинг факторов окружающей среды. ^[7]

Известные неудачи

Разрушенный Серебряный мост , вид со стороны Огайо

• 32-дюймовый диаметр газопровода, к северу от Натчиточес, Луизиана , принадлежащий Теннессийскому газопроводу, взорвался и сгорел от SCC 4 марта 1965 года, убив 17 человек. По меньшей мере 9 человек получили ранения, а 7 домов в 450 футах от разрыва были разрушены. ^{[8] [9]}
• SCC вызвал катастрофическое обрушение Серебряного моста в декабре 1967 года, когда подвесной мост с проушиной через реку Огайо в Пойнт-Плезант , Западная Вирджиния , внезапно вышел из строя. Главный цепной шарнир вышел из строя, и вся конструкция упала в реку, убив 46 человек, которые ехали в транспортных средствах по мосту. Ржавчина в шарнире проушины привела к трещине коррозии под напряжением, которая стала критической в ​​результате высокой нагрузки на мост и низкой температуры. Разрушение усугубилось высоким уровнем остаточного напряжения в проушине. Катастрофа привела к общенациональной переоценке мостов. ^[10]
• Перископ подводной лодки USS Hartford : В 2009 году перископ подводной лодки USS Hartford вышел из строя из-за SCC. Перископ используется для обеспечения обзора поверхности, когда подводная лодка находится под водой. Неисправность произошла, когда перископ был выдвинут через корпус подводной лодки, в результате чего морская вода попала в уплотнение перископа. Морская вода вызвала SCC в стальной опорной конструкции перископа, что привело к падению перископа обратно в подводную лодку. К счастью, обошлось без травм, но подводную лодку пришлось вывести из эксплуатации для ремонта. ^{[11] [12]}
• Трансаляскинский трубопровод : в 2001 году часть Трансаляскинского трубопровода вышла из строя из-за SCC. Трубопровод используется для транспортировки сырой нефти с Северного склона Аляски до морского терминала Вальдез. Авария произошла, когда 34-футовый участок трубопровода разорвался, что привело к разливу более 285 000 галлонов сырой нефти. Расследование аварии показало, что SCC произошло в трубопроводе из-за присутствия воды и бактерий, которые создали коррозионную среду. ^[13]
• Рейс 243 авиакомпании Aloha Airlines : В 1988 году рейс 243 авиакомпании Aloha Airlines испытал частичный отказ фюзеляжа из-за SCC. Boeing 737-200 летел из Хило в Гонолулу, Гавайи, когда часть фюзеляжа разорвалась, что привело к декомпрессии. Расследование отказа показало, что SCC произошло в алюминиевой обшивке фюзеляжа из-за повторяющихся циклов повышения и понижения давления самолета. Инцидент привел к изменениям в процедурах технического обслуживания и осмотрах самолетов для предотвращения подобных отказов в будущем. ^[14]

Смотрите также

• Судебная химия  – применение химии в судебной медицине
• Судебная инженерия  – Расследование ошибок, связанных с юридическим вмешательством
• Судебное материаловедение  – отрасль судебной инженерииСтраницы, отображающие описания викиданных в качестве резерва
• Судебная полимерная инженерия  – изучение отказов полимерных изделий
• Механика разрушения  – изучение распространения трещин в материалах.
• Растрескивание под воздействием окружающей среды  – Хрупкое разрушение термопластичных полимеров
• Разрушение под воздействием окружающей среды  – Разрушение материала
• Водородная хрупкость  – снижение пластичности металла под воздействием водорода.
• Растрескивание под воздействием озона  – трещины во многих различных эластомерах из-за воздействия озона.
• Деградация полимеров  – изменение свойств полимеров под воздействием факторов окружающей среды.
• Сезонное растрескивание  – форма коррозионного растрескивания латунных гильз
• Сульфидное растрескивание под напряжением  – форма водородной хрупкости, вызванная сероводородом.

Ссылки

Примечания

1. "Глава 32: Анализ отказов". Справочник по металлам (ред. на настольном компьютере). Американское общество металловедов.
2. Gu, B.; Luo, J.; Mao, X. (январь 1999 г.). «Коррозионное растрескивание под напряжением, вызванное анодным растворением, при воздействии водорода на сталь трубопроводов в растворе с близким к нейтральному значением pH». Коррозия . 55 (1): 96–106. doi : 10.5006/1.3283971. ISSN  0010-9312. Архивировано из оригинала 21.02.2023 . Получено 21.02.2023 .
3. Маннингс, К.; Бадвал, SPS; Фини, Д. (20 февраля 2014 г.). «Спонтанное стресс-индуцированное окисление ионов Ce в легированном гадолинием церии при комнатной температуре». Ionics . 20 (8): 1117–1126. doi :10.1007/s11581-014-1079-2. S2CID  95469920.
4. Wachtman, John B.; Cannon, W. Roger; Matthewson, M. John (11 сентября 2009 г.). Механические свойства керамики (2-е изд.). John Wiley and Sons. doi :10.1002/9780470451519. ISBN 9780471735816.
5. "EPRI | Результаты поиска: Надежность компрессора: лазерная ударная обработка поверхности". Архивировано из оригинала 2022-12-06 . Получено 2023-02-21 .
6. Крукер, Пол; Симс, Уильям (2011-06-09). "Упрочнение для смягчения PWSCC в сплаве 600" (PDF) . nrc.gov . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-06 . Получено 2022-06-01 .
7. "Растрескивание под действием радиации и коррозии", Stress-Corrosion Cracking , ASM International, стр. 191–220, 2017-01-01, doi :10.31399/asm.tb.sccmpe2.t55090191, ISBN 978-1-62708-266-2, OSTI  7010172 , получено 2023-04-26
8. Приказ о корректирующих действиях в отношении трубопровода TGP 100 (PDF) (Отчет). Администрация по безопасности трубопроводов и опасных материалов Министерства транспорта США. 3 декабря 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 декабря 2016 г.
9. "17 погибших при взрыве газопровода". The Washington Observer . 5 марта 1965 г. Архивировано из оригинала 2021-11-02 . Получено 2023-02-21 .
10. Льюис, Питер Рис; Рейнольдс, Кен; Гагг, Колин (29.09.2003). Судебно-медицинская материаловедение . CRC Press. doi :10.1201/9780203484531. ISBN 978-0-203-48453-1.
11. Хсу, Джереми (23 марта 2009 г.). «Перископ USS Hartford лопнул, падает в подводную лодку». Live Science .^{[ не пройдена проверка ]}
12. Гроган, Дженнифер (17 ноября 2009 г.). «Отчет: Экипаж подлодки стал причиной столкновения в Хартфорде». The Day .
13. Бузенберг, Джордж Дж. (сентябрь 2011 г.). «Динамика политики Трансаляскинского трубопровода». Обзор политических исследований . 28 (5): 401–422. doi :10.1111/j.1541-1338.2011.00508.x. ISSN  1541-132X.
14. Хун-бин, Ду; Цин-цин, Чжан (июнь 2015 г.). «Моделирование влияния инвестиций в безопасность на уровень безопасности полетов в авиакомпаниях». Международная конференция по информации и безопасности на транспорте 2015 г. (ICTIS) . IEEE. стр. 780–786. doi :10.1109/ictis.2015.7232149. ISBN 978-1-4799-8694-1. S2CID  2908608.

Источники

• ASM International, Справочник по металлам (настольное издание), Глава 32 (Анализ отказов), Американское общество металловедов, (1997) стр. 32–24 по 32–26
• Справочник ASM, том 11 «Анализ и предотвращение отказов» (2002) «Растрескивание под напряжением и коррозией», пересмотренный WR Warke, Американское общество металловедов. Страницы 1738-1820
• ASTM (5 ноября 2018 г.). "ASTM G36-94 (2018) Стандартная практика оценки стойкости металлов и сплавов к коррозии под напряжением в кипящем растворе хлорида магния". astm.org . Архивировано из оригинала 3 декабря 2022 г. . Получено 1 июня 2022 г. .
• Вахтман, Джон Б.; Кэннон, У. Роджер; Мэтьюсон, М. Джон. "Глава 8". Механические свойства керамики .