Коррозионное растрескивание под напряжением - Stress corrosion cracking

Крупный план поверхности стального трубопровода, показывающий коррозионное растрескивание под напряжением (две группы маленьких черных линий), обнаруженное магнитопорошковая инспекция. Трещины, которые обычно были бы невидимыми, можно обнаружить из-за скопления магнитных частиц в отверстиях трещин. Шкала внизу в сантиметрах (каждое деление указывает на миллиметр).

Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) - рост трещинообразования в разъедающий среда. Это может привести к неожиданному и внезапному выходу из строя нормального пластичный металл сплавы подвергнутый растягивающее напряжение, особенно при повышенной температуре. SCC имеет высокую химическую специфичность, так как некоторые сплавы могут подвергаться SCC только при воздействии небольшого количества химических сред. Химическая среда, вызывающая SCC для данного сплава, часто бывает лишь незначительной. разъедающий к металлу. Следовательно, металлические детали с тяжелым SCC могут казаться яркими и блестящими, будучи заполненными микроскопическими трещинами. Этот фактор приводит к тому, что SCC остается незамеченным до отказа. SCC часто быстро прогрессирует и чаще встречается среди сплавов, чем чистых металлов. Конкретная среда имеет решающее значение, и только очень небольшие концентрации определенных высокоактивных химикатов необходимы для возникновения катастрофического растрескивания, часто приводящего к разрушительным и неожиданным сбоям.^[1]

Напряжения могут быть результатом щелевых нагрузок из-за концентрация напряжения, или может быть вызвано типом сборки или остаточные напряжения от производства (например, холодная обработка); остаточные напряжения могут быть сняты отжиг или другие виды обработки поверхности.

Материальная восприимчивость

SCC является результатом сочетания трех факторов - чувствительности материала, воздействия агрессивной среды и растягивающие напряжения выше порога. Если любой из этих факторов устранить, инициирование SCC становится невозможным.

Металлы

Сплав	K_IC МН / м^3/2	Среда SCC	K_Iscc МН / м^3/2
13Cr сталь	60	3% NaCl	12
18Cr-8Ni	200	42% MgCl₂	10
Cu-30Zn	200	NH₄ОН (pH 7)	1
Al-3Mg-7Zn	25	Водные галогениды	5
Ti-6Al-1V	60	0,6 М KCl	20

Определенный аустенитный нержавеющая сталь и алюминий сплавы трещина в присутствии хлориды. Это ограничивает пригодность аустенитной нержавеющей стали для содержания воды с содержанием хлоридов выше нескольких частей на миллион при температурах выше 50 ° C (122 ° F);
незначительный стали трещины при наличии щелочь (растрескивание котла) и нитраты;
медные сплавы взломать аммиачный решения (сезонные трещины );
высокопрочные стали известны неожиданно хрупкие трещины в самых разных водных средах, особенно когда присутствуют хлориды.

За возможным исключением последнего, который является частным примером водородный крекинг, все остальные демонстрируют явление докритического трескаться рост, т.е. мелкие поверхностные дефекты распространяются (обычно плавно) в условиях, когда механика разрушения предсказывает, что сбоя произойти не должно. То есть при наличии корродента трещины развиваются и распространяются значительно ниже коэффициент критической интенсивности напряжений ( ${ Displaystyle К _ { mathrm {Ic}}}$ ). Докритическое значение интенсивности напряжений, обозначенное как ${ Displaystyle К _ { mathrm {Iscc}}}$ , может быть менее 1% от ${ Displaystyle К _ { mathrm {Ic}}}$ .

Полимеры

Аналогичный процесс (растрескивание под воздействием окружающей среды ) происходит в полимеры, когда продукты подвергаются воздействию определенных растворителей или агрессивных химикатов, таких как кислоты и щелочи. Как и в случае с металлами, атака ограничивается определенными полимерами и определенными химическими веществами. Таким образом поликарбонат чувствителен к действию щелочей, но не кислот. С другой стороны, полиэфиры легко разлагаются кислотами, и SCC является вероятным отказ механизм. Полимеры подвержены растрескивание под воздействием окружающей среды где атакующие агенты не обязательно химически разрушают материалы.Нейлон чувствителен к разложению кислотами, процессу, известному как гидролиз, а нейлоновые молдинги треснут под воздействием сильных кислот.

Крупным планом - сломанный нейлоновый соединитель топливопровода из-за SCC

Например, поверхность излома топливного соединителя показала прогрессивный рост трещины от воздействия кислоты (Ch) до конечного выступа (C) полимера. В этом случае отказ был вызван гидролиз полимера при контакте с серная кислота утечка из автомобильный аккумулятор. Реакция разложения является обратной реакцией синтеза полимера:

Растрескивание озона в натуральная резина трубка

Трещины могут образовываться в самых разных эластомеры к озон атака, еще одна форма SCC в полимерах. Крошечные следы газа в воздухе будут атаковать двойные связи в резиновых цепях, с натуральная резина, стирол-бутадиен резина и нитрилбутадиеновый каучук будучи наиболее чувствительным к деградации. Озоновые трещины образуются в изделиях при растяжении, но критическая деформация очень мала. Трещины всегда ориентированы под прямым углом к оси деформации, поэтому образуются по окружности в согнутой резиновой трубке. Такие трещины опасны, когда они возникают в топливных трубопроводах, потому что трещины будут прорастать с внешних открытых поверхностей в отверстие трубы, что может привести к утечке топлива и возгоранию. Растрескивание озона можно предотвратить, добавив в резину антиозонанты перед вулканизация. Озоновые трещины часто наблюдались в автомобилях. шина боковины, но теперь они редко встречаются благодаря использованию этих добавок. С другой стороны, проблема действительно повторяется в незащищенных изделиях, таких как резиновые трубки и уплотнения.

Керамика

Этот эффект значительно реже встречается в керамике, которая обычно более устойчива к химическому воздействию. Хотя фазовые переходы 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 этого механизма упрочнения может также усилить окисление восстановленного оксида церия, что приводит к медленному росту трещин и самопроизвольному разрушению плотных керамических тел.^[2]

Стекло

Показаны области различного распространения трещин при коррозионном растрескивании под напряжением. В области I в распространении трещины преобладает химическая атака напряженных связей в трещине. В области II распространение контролируется диффузией химического вещества в трещину. В области III интенсивность напряжений достигает критического значения и распространяется независимо от окружающей среды.

Учитывая, что большинство стекол содержат значительное количество кремнеземной фазы, введение воды может химически ослабить связи, предотвращая распространение докритических трещин. Действительно, кремний-кислородные связи, присутствующие на вершине трещины, натянуты и, следовательно, более восприимчивы к химическому воздействию. В случае химического воздействия воды кремний-кислородные связи, перекрывающие трещину, разделяются на несвязанные группы гидроксида кремния. Добавление внешнего стресса еще больше ослабит эти связи.

Докритическое распространение трещины в стеклах делится на три области. В области I скорость распространения трещин увеличивается с увеличением влажности окружающей среды из-за усиленной напряжением химической реакции между стеклом и водой. В области II скорость распространения трещины контролируется диффузией и зависит от скорости, с которой химические реагенты могут переноситься к вершине трещины. В области III распространение трещины не зависит от окружающей ее среды, достигнув критической интенсивности напряжений. Другие химические вещества, помимо воды, такие как аммиак, могут вызывать докритическое распространение трещин в кварцевом стекле, но они должны иметь донор электронов сайт и донор протонов сайт.^[3]

Рост трещины

Докритический характер распространения можно отнести к химическая энергия высвобождается по мере распространения трещины. То есть,

высвобождаемая упругая энергия + химическая энергия = поверхностная энергия + энергия деформации

Трещина возникает в ${ Displaystyle К _ { mathrm {Iscc}}}$ а затем распространяется со скоростью, определяемой самым медленным процессом, который большую часть времени является скоростью, с которой коррозионные ионы могут диффундировать к вершине трещины. По мере того, как трещина продвигается так ${ displaystyle K}$ повышается (поскольку длина трещины учитывается при расчете интенсивности напряжений). Наконец он достигает ${ Displaystyle К _ { mathrm {Ic}}}$ , после чего происходит быстрое разрушение и выход детали из строя. Одна из практических трудностей с SCC - его неожиданный характер. Нержавеющая сталь, например, используются потому, что в большинстве случаев они «пассивны», т.е. фактически инертны. Очень часто обнаруживается, что одна трещина распространилась, а остальная поверхность металла, по-видимому, не пострадала. Трещина распространяется перпендикулярно приложенному напряжению.

Профилактика

Существует ряд подходов, которые можно использовать для предотвращения или, по крайней мере, отсрочки начала SCC. В идеальном мире стратегия управления SCC начинает действовать еще на стадии проектирования и фокусируется на выборе материала, ограничении нагрузки и контроле за окружающей средой. Тогда умение инженера заключается в выборе стратегии, которая обеспечивает требуемую производительность при минимальных затратах. Часть требований к характеристикам относится к допустимости отказа. Очевидно, что для корпуса высокого давления первичной защитной оболочки в ядерном реакторе требуется очень низкий риск отказа. Для декоративной планки из прессованной латуни на выключателе света случайные трещины, вызванные коррозией под напряжением, не будут серьезной проблемой, хотя частые сбои будут иметь нежелательное влияние на возврат продукции и имидж производителя. Традиционный подход к решению этой проблемы заключался в разработке новых сплавов, более устойчивых к SCC. Это дорогостоящее предложение и может потребовать огромных временных затрат для достижения лишь незначительного успеха.

Выбор материала

Первой линией защиты в борьбе с коррозионным растрескиванием под напряжением является понимание возможности его возникновения на этапах проектирования и строительства. Выбрав материал, который не подвержен SCC в рабочей среде, и правильно обработав и изготовив его, можно избежать последующих проблем с SCC. К сожалению, не всегда все так просто. Некоторые среды, такие как вода с высокой температурой, очень агрессивны и вызывают SCC большинства материалов. Механические требования, такие как высокий предел текучести, может быть очень трудно согласовать с сопротивлением SCC (особенно там, где хрупкость водорода впутан).

Материальные испытания

Следующей линией защиты в борьбе с коррозионным растрескиванием под напряжением является тестирование, чтобы убедиться, что материалы безопасны для каждой партии. Для различных применений и материалов существует множество испытаний с устойчивой нагрузкой и без нагрузки. Ускоренное испытание на коррозию под напряжением методом возрастающей ступенчатой нагрузки предлагает быстрый метод анализа SCC.

Среда

Самый прямой способ управления SCC посредством управления средой - это удалить или заменить компонент среды, ответственный за проблему, хотя обычно это невозможно. Если виды, ответственные за крекинг, являются необходимыми компонентами окружающей среды, варианты контроля окружающей среды включают добавление ингибиторов, изменение электродный потенциал металла, или изоляция металла от окружающей среды с помощью покрытий.

Например, хлоридное коррозионное растрескивание аустенитной нержавеющей стали под напряжением наблюдалось в трубах с рубашкой для горячей воды, транспортирующих расплавленный шоколад в пищевой промышленности. Трудно контролировать температуру, в то время как смена материала трубы или устранение остаточных напряжений, связанных со сваркой и формированием трубопроводов, требует больших затрат и приводит к простою оборудования. Однако это редкий случай, когда среда может быть изменена: ионный обмен процесс может быть использован для удаления хлоридов из нагретой воды.

Стресс

Поскольку одним из требований к коррозионному растрескиванию под напряжением является наличие напряжения в компонентах, одним из методов контроля является устранение этого напряжения или, по крайней мере, снижение его ниже порогового значения для SCC. Обычно это невозможно для рабочих напряжений (напряжения, которое компонент должен выдерживать), но это возможно, когда напряжение, вызывающее растрескивание, является остаточный стресс вводится во время сварки или формовки.

Остаточные напряжения можно снять с помощью отжига для снятия напряжений, который широко используется для углеродистых сталей. Они имеют преимущество относительно высокого порогового напряжения для большинства сред, следовательно, относительно легко снизить остаточные напряжения до достаточно низкого уровня.

Напротив, аустенитные нержавеющие стали имеют очень низкое пороговое напряжение для хлоридного SCC. Это, в сочетании с высокими температурами отжига, которые необходимы для предотвращения других проблем, таких как сенсибилизация и сигма-фазовое охрупчивание, означает, что снятие напряжения редко бывает успешным в качестве метода контроля SCC для этой системы.

Для больших конструкций, для которых полный отжиг для снятия напряжения затруднен или невозможен, может оказаться полезным частичное снятие напряжения вокруг сварных швов и других критических участков. Тем не менее, это необходимо делать контролируемым образом, чтобы избежать создания новых областей с высоким остаточным напряжением, и при таком подходе рекомендуется консультация специалиста. Напряжения также можно снимать механически. Например, гидростатические испытания сверх предела текучести будут стремиться «выровнять» напряжения и тем самым уменьшить пиковое остаточное напряжение.

Лазерная обработка, дробеструйная обработка или пескоструйная обработка могут использоваться для создания поверхностного сжимающего напряжения, которое полезно для контроля SCC. Важна единообразие, с которым применяются эти процессы. Если, например, дробеструйной обработкой подвергается только область сварного шва, на границе упрочненной области могут возникать повреждающие растягивающие напряжения. Остаточные сжимающие напряжения, создаваемые лазерным упрочнением, точно контролируются как по местоположению, так и по интенсивности, и могут применяться для смягчения резких переходов в области растяжения. Лазерное упрочнение создает глубокие сжимающие остаточные напряжения, которые в 10–20 раз больше, чем при обычном дробеструйном упрочнении, что делает его значительно более эффективным для предотвращения SCC.^[4] Лазерная наплавка широко используется в аэрокосмической промышленности и энергетике в газотурбинных двигателях.^[5]

Заметные неудачи

Обрушившийся Серебряный мост, вид со стороны Огайо

Классическим примером SCC является сезонные трещины латунных гильз, проблема, с которой столкнулась британская армия в Индия в начале 19 века. Это было инициировано аммиак из навоза и конский навоз разлагается при более высоких температурах весны и лета. Было существенное остаточный стресс в гильзах патронов в результате холодное формование. Проблема была решена отжиг снаряды, чтобы уменьшить стресс.
Газопровод диаметром 32 дюйма к северу от г. Натчиточес, Луизиана, принадлежащий газопроводу Теннесси, взорвался и сгорел на территории SCC 4 марта 1965 года, в результате чего погибли 17 человек. По меньшей мере 9 человек получили ранения, а 7 домов в 450 футах от разрыва были разрушены.^[6]^[7]
SCC вызвал катастрофическое обрушение Серебряный мост в декабре 1967 г., когда наглазник подвесной мост через реку Огайо в Point Pleasant, Западная Виргиния, вдруг не удалось. Соединение главной цепи вышло из строя, и вся конструкция упала в реку, в результате чего погибли 46 человек, которые проезжали через мост на машинах. Ржавчина в соединении проушины вызвала коррозионную трещину под напряжением, которая стала критической в результате высокой нагрузки моста и низкой температуры. Неудача усугублялась высоким уровнем остаточный стресс в наглазник. Катастрофа привела к переоценке мостов по всей стране.^[8]
В 2004 году крыша над плавательным бассейном в Москве обрушилась в результате коррозионного растрескивания под напряжением, в результате чего 28 человек погибли.
В Нихон Демпа Когио Завод в Белвидере, штат Иллинойс, был сильно поврежден в 2009 году, когда один из автоклавов для кристаллов сильно разорвался из-за коррозионного растрескивания под напряжением, что привело к взрыву. Луч из здания НДК убил человека на ближайшей заправке, а осколок стены автоклава ранил еще двоих и причинил серьезные повреждения соседнему офисному зданию.

Смотрите также

Судебная химия - Судебно-медицинская экспертиза исследования химии
Криминалистическая инженерия - Расследование отказов, связанных с правовым вмешательством
Криминалистическая материаловедение
Судебная полимерная инженерия
Механика разрушения - Область механики, связанная с изучением распространения трещин в материалах
Растрескивание под воздействием окружающей среды
Экологический стресс-перелом - Общее название преждевременного выхода из строя под действием растягивающих напряжений и вредных сред
Растрескивание озона - Трещины во многих различных эластомерах из-за воздействия озона
Деградация полимера - Изменение свойств полимера под воздействием факторов окружающей среды
Растрескивание сезона - форма коррозионного растрескивания латунных гильз.

внешняя ссылка

[1] ASM International, Справочник по металлам (настольное издание) Глава 32 (Анализ отказов), Американское общество металлов

[2] Munnings, C .; Badwal, S.P.S .; Фини, Д. (20 февраля 2014 г.). «Спонтанное стресс-индуцированное окисление ионов Ce в оксиде церия, легированном Gd, при комнатной температуре». Ионика. 20 (8): 1117–1126. Дои:10.1007 / s11581-014-1079-2.

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

[4] EPRI | Результаты поиска: Надежность компрессора: ударно-лазерная обработка поверхности

[5] ttp://pbadupws.nrc.gov/docs/ML1116/ML11167A243.pdf

[6] ttp://primis.phmsa.dot.gov/comm/reports/enforce/documents/420101007H/420101007H_CAO_12032010.pdf

[7] The Washington Observer - Поиск в архиве новостей Google

[8] Льюис, Питер Рис, Рейнольдс, К., и Гагг, К., Криминалистическая инженерия материалов: примеры из практики, CRC Press (2004).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]