Коррозионное растрескивание под напряжением

Коррозионное растрескивание под напряжением ( SCC ) — это рост образования трещин в агрессивной среде. Это может привести к неожиданному и внезапному разрушению обычно пластичных металлических сплавов , подвергнутых растягивающему напряжению , особенно при повышенной температуре. SCC обладает высокой химической специфичностью: некоторые сплавы могут подвергаться SCC только при воздействии небольшого количества химических сред. Химическая среда, вызывающая SCC для данного сплава, часто является лишь умеренно коррозионной по отношению к металлу. Следовательно, металлические детали с сильным SCC могут выглядеть яркими и блестящими, хотя при этом они заполнены микроскопическими трещинами. Из-за этого фактора SCC обычно остается незамеченным до сбоя. SCC часто быстро прогрессирует и чаще встречается среди сплавов, чем среди чистых металлов. Конкретная окружающая среда имеет решающее значение, и для возникновения катастрофического растрескивания, часто приводящего к разрушительным и неожиданным отказам, необходимы лишь очень небольшие концентрации некоторых высокоактивных химикатов. ^{[ 1 ]}

Напряжения могут быть результатом щелевых нагрузок из-за концентрации напряжений или могут быть вызваны типом сборки или остаточными напряжениями при изготовлении (например, холодная обработка); остаточные напряжения можно снять путем отжига или другой обработки поверхности. Неожиданный и преждевременный выход из строя химического технологического оборудования, например, из-за коррозионного растрескивания под напряжением, представляет собой серьезную угрозу с точки зрения безопасности персонала, производственных объектов и окружающей среды. Ослабляя надежность оборудования этих типов, такие неисправности также отрицательно влияют на производительность и рентабельность.

Механизмы

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

Металлы

Более низкий pH и более низкий приложенный окислительно-восстановительный потенциал способствуют выделению и обогащению водорода во время процесса SCC, тем самым увеличивая интенсивность SCC. ^{[ 2 ]}

Сплав	К _Ик МН/м ^3/2	Среда SCC	К _Искк МН/м ^3/2
сталь 13Cr	60	3% NaCl	12
18Cr-8Ni	200	42% _MgCl2	10
Cu-30Zn	200	NH ₄ OH (pH 7)	1
Ал-3Мг-7Зн	25	Водные галогениды	5
Ти-6Ал-1В	60	0,6 М КСl	20

Некоторые аустенитные нержавеющие стали и алюминиевые сплавы растрескиваются в присутствии хлоридов . Это ограничивает полезность аустенитной нержавеющей стали для содержания воды с содержанием хлоридов более нескольких частей на миллион при температурах выше 50 ° C (122 ° F);
растрескивание мягкой стали в присутствии щелочи (например, растрескивание котлов и коррозионное растрескивание под напряжением ) и нитратов ;
медные сплавы растрескиваются в аммиачных растворах ( сезонное растрескивание );
высокопрочные стали неожиданно хрупко растрескиваются в самых разных водных средах, особенно в присутствии хлоридов. Известно, что

За возможным исключением последнего, который является частным примером водородного растрескивания , все остальные демонстрируют явление докритического 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 корроданта трещины развиваются и распространяются значительно ниже критического коэффициента интенсивности напряжений ( $K_{\mathrm {Ic} }$ ). Докритическое значение интенсивности напряжения, обозначаемое как $K_{\mathrm {Iscc} }$ , может составлять менее 1% от $K_{\mathrm {Ic} }$ .

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 конкретными полимерами и конкретными химическими веществами. Таким образом, поликарбонат чувствителен к воздействию щелочей, но не кислот. С другой стороны, полиэфиры легко разлагаются кислотами, и вероятным механизмом разрушения является SCC . Полимеры подвержены растрескиванию под воздействием окружающей среды , когда агрессивные агенты не обязательно приводят к химическому разрушению материалов. Нейлон чувствителен к разложению кислотами (процессу, известному как гидролиз) , а нейлоновые молдинги трескаются при воздействии сильных кислот.

Например, поверхность излома топливного соединителя показала прогрессивный рост трещины от воздействия кислоты (Ch) до конечного выступа (C) полимера. В данном случае причиной поломки стал гидролиз полимера при контакте с серной кислотой, вытекшей из автомобильного аккумулятора . Реакция разложения является обратной реакции синтеза полимера:

Трещины могут образовываться во многих различных эластомерах в результате воздействия озона , еще одной формы SCC в полимерах. Крошечные следы газа в воздухе разрушают двойные связи в резиновых цепях, при этом натуральный каучук , бутадиен-стирольный каучук и бутадиен-нитриловый каучук наиболее чувствительны к разложению. Озоновые трещины образуются в изделиях под напряжением, но критическая деформация очень мала. Трещины всегда ориентированы под прямым углом к оси деформации, поэтому образуются по окружности изогнутой резиновой трубки. Такие трещины опасны, когда они возникают в топливных трубках, поскольку трещины прорастают с внешних открытых поверхностей в отверстие трубы, что может привести к утечке топлива и возгоранию. Озоновое растрескивание можно предотвратить, добавив в резину антиозонанты перед вулканизацией . Озоновые трещины часто наблюдались на боковинах автомобильных шин , но сейчас их можно увидеть редко благодаря использованию этих присадок. С другой стороны, проблема повторяется в незащищенных продуктах, таких как резиновые трубки и уплотнения.

Керамика

Этот эффект значительно реже встречается в керамике, которая обычно более устойчива к химическому воздействию. Хотя фазовые изменения являются обычным явлением в керамике под напряжением, они обычно приводят к упрочнению, а не разрушению (см. Диоксид циркония ). Недавние исследования показали, что та же самая движущая сила этого механизма упрочнения может также усиливать окисление восстановленного оксида церия, что приводит к медленному росту трещин и самопроизвольному разрушению плотных керамических изделий. ^{[ 3 ]}

Стекло

Докритическое распространение трещин в стеклах делится на три области. В области I скорость распространения трещин увеличивается с увеличением влажности окружающей среды из-за усиленной под напряжением химической реакции между стеклом и водой. В области II скорость распространения трещины контролируется диффузией и зависит от скорости, с которой химические реагенты могут транспортироваться к вершине трещины. В области III распространение трещины не зависит от ее окружения, достигнув критической интенсивности напряжений. Другие химические вещества, кроме воды, такие как аммиак, могут вызывать субкритическое распространение трещин в кварцевом стекле, но они должны иметь центр донора электронов и центр донора протонов . ^{[ 4 ]}

Профилактика

Остаточные напряжения сжатия, создаваемые лазерной наклейкой, точно контролируются как по местоположению, так и по интенсивности, и могут применяться для смягчения резких переходов в области растяжения. Лазерная упрочнение создает глубокие сжимающие остаточные напряжения, примерно в 10–20 раз более глубокие, чем обычная дробеструйная обработка, что делает их значительно более полезными для предотвращения SCC. ^{[ 5 ]} Лазерная наковка широко используется в аэрокосмической и энергетической промышленности в газотурбинных двигателях. ^{[ 6 ]}
Выбор материала. Выбор правильного материала для конкретной среды может помочь предотвратить SCC. В агрессивных средах следует использовать материалы с более высокой стойкостью к коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением. 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 коррозионных 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 металлическую поверхность. Этот метод также может помочь предотвратить SCC за счет снижения потенциала коррозии 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 ]}
Осмотр и техническое обслуживание. Регулярные проверки и техническое обслуживание могут помочь обнаружить SCC до того, как он станет причиной неисправности. Сюда входят визуальные проверки, неразрушающий контроль и мониторинг факторов окружающей среды. ^{[ 7 ]}

Заметные неудачи

Газопровод диаметром 32 дюйма к северу от Натчиточеса, штат Луизиана , принадлежащий газопроводу Теннесси, взорвался и загорелся от SCC 4 марта 1965 года, в результате чего погибло 17 человек. По меньшей мере девять человек получили ранения, а семь домов в 450 футах от прорыва были разрушены. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}
SCC стал причиной катастрофического обрушения Серебряного моста в декабре 1967 года, когда внезапно вышел из строя подвесной мост через реку Огайо в Пойнт-Плезант , Западная Вирджиния . Соединение главной цепи вышло из строя, и вся конструкция упала в реку, в результате чего погибли 46 человек, ехавших на транспортных средствах по мосту. Ржавчина в шарнирном соединении вызвала коррозионную трещину под напряжением, которая стала критической из-за высокой нагрузки на мост и низкой температуры. Неудача усугублялась 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 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 возникновение SCC в стальной опорной конструкции перископа, что привело к падению перископа обратно в подводную лодку. К счастью, обошлось без пострадавших, но подлодку пришлось вывести из эксплуатации на ремонт. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}
Трансаляскинский трубопровод : В 2001 году из-за аварии на участке Трансаляскинского трубопровода произошел сбой. Трубопровод используется для транспортировки сырой нефти с Северного склона Аляски на морской терминал Вальдез. Авария произошла в результате разрыва 34-футового участка трубопровода, в результате чего разлилось более 285 000 галлонов сырой нефти. Расследование аварии установило, что образование трещин в трубопроводе произошло из-за присутствия воды и бактерий, создавших коррозионную среду. ^{[ 13 ]}
Рейс 243 авиакомпании Aloha Airlines : в 1988 году у рейса 243 компании Aloha Airlines произошел частичный отказ фюзеляжа из-за SCC. Боинг 737-200 летел из Хило в Гонолулу, Гавайи, когда часть фюзеляжа лопнула, что привело к декомпрессии. Расследование аварии показало, что SCC произошел в алюминиевой обшивке фюзеляжа из-за повторяющихся циклов наддува и разгерметизации самолета. Инцидент привел к изменению процедур технического обслуживания и проверок самолетов, чтобы предотвратить подобные сбои в будущем. ^{[ 14 ]}

См. также

Судебная химия - Судебно-медицинское применение изучения химии.
Криминалистическая экспертиза – Расследование отказов, связанных с юридическим вмешательством.
Судебная экспертиза материалов - отрасль судебной экспертизы.
Судебная полимерная инженерия - Исследование отказов полимерных изделий
Механика разрушения - Исследование распространения трещин в материалах.
Растрескивание под воздействием окружающей среды - хрупкое разрушение термопластичных полимеров.
Разрушение под воздействием окружающей среды – разрушение материала
Водородное охрупчивание - снижение пластичности металла под воздействием водорода.
Растрескивание озона . Трещины во многих различных эластомерах из-за воздействия озона.
Деградация полимера – изменение свойств полимера под воздействием факторов окружающей среды.
Сезонное растрескивание - форма коррозионного растрескивания латунных гильз.
Сульфидное растрескивание под напряжением - форма водородного охрупчивания из-за сероводорода.

Ссылки

Примечания

^ «Глава 32: Анализ отказов». Справочник по металлам (настольная ред.). Американское общество металлов.
^ Гу, Б.; Луо, Дж.; Мао, X. (январь 1999 г.). «Анодное коррозионное растрескивание под напряжением типа растворения под действием водорода трубопроводных сталей в растворе с pH, близким к нейтральному» . Коррозия . 55 (1): 96–106. дои : 10.5006/1.3283971 . ISSN 0010-9312 . Архивировано из оригинала 21 февраля 2023 г. Проверено 21 февраля 2023 г.
^ Маннингс, К.; Бадвал, СПС; Фини, Д. (20 февраля 2014 г.). «Спонтанное окисление ионов Ce в церии, легированном Gd, при комнатной температуре». Ионика . 20 (8): 1117–1126. дои : 10.1007/s11581-014-1079-2 . S2CID 95469920 .
^ Вахтман, Джон Б.; Кэннон, В. Роджер; Мэтьюсон, М. Джон (11 сентября 2009 г.). Механические свойства керамики (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. дои : 10.1002/9780470451519 . ISBN 9780471735816 .
^ «EPRI | Результаты поиска: Надежность компрессора: обработка поверхности лазерной ударной обработкой» . Архивировано из оригинала 06 декабря 2022 г. Проверено 21 февраля 2023 г.
^ Крукер, Пол; Симс, Уильям (9 июня 2011 г.). «Наковка для снижения PWSCC в сплаве 600» (PDF) . nrc.gov . Архивировано (PDF) из оригинала 6 октября 2022 г. Проверено 1 июня 2022 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «Коррозионное растрескивание под действием облучения» , Коррозионное растрескивание под напряжением , ASM International, стр. 191–220, 01 января 2017 г., doi : 10.31399/asm.tb.sccmpe2.t55090191 , ISBN 978-1-62708-266-2 , OSTI 7010172 , получено 26 апреля 2023 г.
^ Приказ о корректирующих действиях по трубопроводу ТГП 100 (PDF) (Отчет). Управление по безопасности трубопроводов и опасных материалов Министерства транспорта США. 3 декабря 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 декабря 2016 г.
^ «17 человек погибли при взрыве газопровода» . Вашингтонский обозреватель . 5 марта 1965 г. Архивировано из оригинала 2 ноября 2021 г. Проверено 21 февраля 2023 г.
^ Льюис, Питер Рис; Рейнольдс, Кен; Гагг, Колин (29 сентября 2003 г.). Судебная материаловедение . ЦРК Пресс. дои : 10.1201/9780203484531 . ISBN 978-0-203-48453-1 .
^ Сюй, Джереми (23 марта 2009 г.). «Перископ военного корабля США Хартфорд сломался и упал в подводную лодку» . Живая наука . ^{[ не удалось пройти проверку ]}
^ Гроган, Дженнифер (17 ноября 2009 г.). «Отчет: Экипаж подводной лодки стал причиной столкновения в Хартфорде» . День .
^ Бусенберг, Джордж Дж. (сентябрь 2011 г.). «Динамика политики Трансаляскинской трубопроводной системы» . Обзор политических исследований . 28 (5): 401–422. дои : 10.1111/j.1541-1338.2011.00508.x . ISSN 1541-132X .
^ Хун-бин, Ду; Цин-цин, Чжан (июнь 2015 г.). «Моделирование влияния инвестиций в безопасность полетов на уровень безопасности полетов в авиакомпаниях» . Международная конференция по транспортной информации и безопасности (ICTIS) , 2015 г. IEEE. стр. 780–786. дои : 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 металлов, (1997), стр. 32–24–32–26.
Справочник ASM, том 11 «Анализ и предотвращение отказов» (2002 г.) «Коррозионное растрескивание под напряжением», отредактировано В. Р. Уорком, Американское общество металлов. Страницы 1738-1820 гг.
ASTM (5 ноября 2018 г.). «ASTM G36-94 (2018) Стандартная практика оценки стойкости металлов и сплавов к коррозионному растрескиванию под напряжением в кипящем растворе хлорида магния» . astm.org . Архивировано из оригинала 3 декабря 2022 года . Проверено 1 июня 2022 г.
Вахтман, Джон Б.; Кэннон, В. Роджер; Мэтьюсон, М. Джон. «Глава 8». Механические свойства керамики .

[:1-1] «Глава 32: Анализ отказов». Справочник по металлам (настольная ред.). Американское общество металлов.

[2] Гу, Б.; Луо, Дж.; Мао, X. (январь 1999 г.). «Анодное коррозионное растрескивание под напряжением типа растворения под действием водорода трубопроводных сталей в растворе с pH, близким к нейтральному» . Коррозия . 55 (1): 96–106. дои : 10.5006/1.3283971 . ISSN 0010-9312 . Архивировано из оригинала 21 февраля 2023 г. Проверено 21 февраля 2023 г.

[3] Маннингс, К.; Бадвал, СПС; Фини, Д. (20 февраля 2014 г.). «Спонтанное окисление ионов Ce в церии, легированном Gd, при комнатной температуре». Ионика . 20 (8): 1117–1126. дои : 10.1007/s11581-014-1079-2 . S2CID 95469920 .

[4] Вахтман, Джон Б.; Кэннон, В. Роджер; Мэтьюсон, М. Джон (11 сентября 2009 г.). Механические свойства керамики (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. дои : 10.1002/9780470451519 . ISBN 9780471735816 .

[5] «EPRI | Результаты поиска: Надежность компрессора: обработка поверхности лазерной ударной обработкой» . Архивировано из оригинала 06 декабря 2022 г. Проверено 21 февраля 2023 г.

[Crooker_2011-6] Крукер, Пол; Симс, Уильям (9 июня 2011 г.). «Наковка для снижения PWSCC в сплаве 600» (PDF) . nrc.gov . Архивировано (PDF) из оригинала 6 октября 2022 г. Проверено 1 июня 2022 г.

[:0-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «Коррозионное растрескивание под действием облучения» , Коррозионное растрескивание под напряжением , ASM International, стр. 191–220, 01 января 2017 г., doi : 10.31399/asm.tb.sccmpe2.t55090191 , ISBN 978-1-62708-266-2 , OSTI 7010172 , получено 26 апреля 2023 г.

[8] Приказ о корректирующих действиях по трубопроводу ТГП 100 (PDF) (Отчет). Управление по безопасности трубопроводов и опасных материалов Министерства транспорта США. 3 декабря 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 декабря 2016 г.

[9] «17 человек погибли при взрыве газопровода» . Вашингтонский обозреватель . 5 марта 1965 г. Архивировано из оригинала 2 ноября 2021 г. Проверено 21 февраля 2023 г.

[10] Льюис, Питер Рис; Рейнольдс, Кен; Гагг, Колин (29 сентября 2003 г.). Судебная материаловедение . ЦРК Пресс. дои : 10.1201/9780203484531 . ISBN 978-0-203-48453-1 .

[11] Сюй, Джереми (23 марта 2009 г.). «Перископ военного корабля США Хартфорд сломался и упал в подводную лодку» . Живая наука . ^{[ не удалось пройти проверку ]}

[12] Гроган, Дженнифер (17 ноября 2009 г.). «Отчет: Экипаж подводной лодки стал причиной столкновения в Хартфорде» . День .

[13] Бусенберг, Джордж Дж. (сентябрь 2011 г.). «Динамика политики Трансаляскинской трубопроводной системы» . Обзор политических исследований . 28 (5): 401–422. дои : 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 полетов на уровень безопасности полетов в авиакомпаниях» . Международная конференция по транспортной информации и безопасности (ICTIS) , 2015 г. IEEE. стр. 780–786. дои : 10.1109/ictis.2015.7232149 . ISBN 978-1-4799-8694-1 . S2CID 2908608 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]