научная статья по теме ВЛИЯНИЕ АДСОРБИРОВАННОГО ХЛОРА НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РЕАКТОРНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ АДСОРБИРОВАННОГО ХЛОРА НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РЕАКТОРНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 7, с. 101-104

УДК 620.196.2:621.774.3:669.15-194.56

ВЛИЯНИЕ АДСОРБИРОВАННОГО ХЛОРА НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РЕАКТОРНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ © 2015 г. С. Н. Нагорных*, Д. В. Хитева**

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 603950Нижний Новгород, Россия *Е-таП: nagornykhsn@gmail.com **Е-таг\: geheimberater@yandex.ru Поступила в редакцию 24.12.2014 г.

Коррозионное растрескивание стали описано с помощью модели скалярной плотности скользящих и переползающих дислокаций у поверхности, на которой адсорбирован хлор. Сформулирован безбарьерный критерий долговечности переползающих пар дислокаций, учитывающий механические напряжения и концентрацию хлора. Вычисленные значения энергии и характерные размеры согласуются с опытными данными по растворению анода в электролите, зарождению и росту зародышевых трещин. Модель учитывает адсорбцию хлора, которая, нейтрализуя потенциал нулевого заряда, эффективно уменьшает долговечность пропорционально экспоненте от стационарного потенциала.

Ключевые слова: коррозионное растрескивание, уравнения плотности дефектов, критерий долговечности, парное переползание, анодно-катодные пары, стационарный потенциал, хемосорбирован-ный хлор, резистивный слой.

Б01: 10.7868/80207352815070148

ВВЕДЕНИЕ

В работе [1] механическая работоспособность реакторной нержавеющей стали марки Ст 08Х18Н10Т в присутствии хлора определена как долговечность до ее разрушения. Известным критерием долговечности до разрушения является критерий Ра-ботнова. Он получается на основе решения обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка [1]. В стохастическом представлении долговечности использована плотность вероятности Вейбулла—Гнеденко, но без указания соответствия с температурными распределениями. Концентрация хлора и напряжение введены линейно в показатель степени долговечности, но не обозначены условия, в которых это возможно. В электронно-микроскопическом исследовании структуры [2] установлено, что на поверхностях изломов стали присутствуют следы циклического разрушения, но в описании долговечности [1] этот факт не отражен. Известно, что хлор вытесняет кислород из оксидов, образуя растворимые в воде на поверхности стали соединения [СгС1(И20)5]2+, и депассивирует поверхность стали [3]. Известно также, что на поверхности стали хемосорбируется хлор, перемешивающий металл в поверхностном слое [4].

Целью данной работы является исследование процессов разрушения стали марки Ст 08Х18Н10Т, инициированных механическими напряжениями

и адсорбцией хлора, для экспериментальных данных долговечности [1] с помощью модели [5].

МОДЕЛЬ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

В работе [5] модель сформулирована в виде трех дифференциальных уравнений для скалярной плотности скользящих дислокаций v± при кручении вперед и назад и для скалярной плотности переползающих дислокаций V:

v ± = 0± - а±\ ± - Ьу ±у, (1)

v = Ьу8у - ам(у)у + £v [(уКр - у) уу] , (2)

где v5 = v+ + V., 0±, a±, aM, vКp, ^ — неотрицательные параметры поликристалла. Эта модель может быть использована для определения циклической долговечности как при кручении, так и при растяжении с учетом эффекта Пойнтинга—Андронова—Лихачева [6]. Воспользуемся уравнением (2) для однородной плотности v(t), зависящей от времени, с точностью до первого порядка при V 5(0) < ам/Ь, v(0) <§ V кр и достаточно малых С, где ам (V) = (аму)/ (1 + су) , в окрестности точки переключения t0 с однородного на неоднородный режим, определяемой равенством vs = ам (V)/Ь. Тогда имеем уравнение:

V = аме\2. (3)

?, годы 60

50

40

30

20

10

ПГВ-1000

---ПГВ-213

----ПГВ-1

6 7 8 9 10

X, %

Зависимость времени растрескивания стали Ст 08Х18Н10Т парогенераторов от процентной концентрации х коррозионно-активного компонента на теплопередающих поверхностях при постоянном давлении.

Считая начальное значение v(0) равновесным распределением Больцмана v(0) = v0 ехр (-Е/Т), находим из (3) момент ^ реализации равенства V > V :

у — у ктТ

щим только от напряжения а и концентрации хлора х и с точностью до первого порядка положим

К* = Ко + Кха + К2%. (7)

Выражение (6) при Е < Т сводится к виду:

^ т = то + й/Т - (Кх/Т)а - {К2/Т) х, (8)

где й = Е/2.3 - К0, К1 — активационный объем, К2 — энергия для х = 1%. Плотность переползающих пар в правой части (3) характеризует долговечность (8) безбарьерного для v± разрушения, согласно (4).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На рисунке приведены зависимости долговечности теплообменных труб парогенераторов ПГВ-1000, ПГВ-213, ПГВ-1 из стали марки Ст 08Х18Н10Т от концентрации хлора при постоянном давлении. Расчеты коэффициентов долговечности (8) приведены в таблице. По данным плотности вероятности Гнеденко—Вейбула [1] методом максимального правдоподобия вычислены К2, й, в, X, где Г(1/р + 1) — гамма-функция:

К2 = 7(ЛГ(1/в + 1))) X

П

У (ЯТ 1п (■/т0) + й - Кр).

(9)

V Кр = Т (-| ийУ),

(4)

где Т — температура в энергетических единицах, и — энергия взаимодействия дислокаций, V — объем;

^ = (аме\0)-1 exp(Е/Т)[1 - (у0 exp(-Е/Т))/укр]. (5)

Полагая долговечность т пропорциональной ^ с разным коэффициентом при кручении и растяжении и учитывая (4), можно при условии V0 <§ Vкр получить из (5) выражение для т, которая аналогична критерия долговечности Работнова:

^ т = ^ Т0 + Е/2.3Т - (К*Т) exp{-Е/Т), (6)

где т0 — постоянная, К* = К/ 2.3. Будем считать параметр взаимодействия дислокаций К * завися-

Коэффициент в = 2 характеризует плотность вероятности как распределение гауссова типа. Вычисленные малые значения активационных

объемов: 4.37 х 10-

см3, 4.79 х 10

22

см

6.22 х 10- см3 соответствуют линейным размерам 0.75, 0.78, 0.85 нм, которые являются расстояниями до микротрещины, возникшей согласно формуле (4), либо расстояниями между переползающими дислокациями в паре [7]. Значение энергии активации и = 2.05 эВ, полученное по формуле (8) и по соотношению й = Е/2.3 - К0 для К0 = 0.5 эВ и Е = 5.75 эВ, дают длину пары дислокаций 0.96 нм при термоактивационном их зарождении. При

этом согласно [7] полагали, что 1/2 ~ 1.2 эВ, где ц — модуль сдвига, Ь — вектор Бюргерса. Время

10-13 см2,

Т0 V 0

1013 с-1, с

10 с получается для ам ; 109 см-2. Плотность V0 « 109 см-2 вблизи по-

22

Значения коэффициентов долговечности (12) стали Ст 08Х18Н10Т для различных типов парогенераторов при Т = 573 К и числе измерений п = 61, 101, 101 (соответственно, для ПГВ-1000, ПГВ-213, ПГВ-1)

Параметр ПГВ-1000 ПГВ-213 ПГВ-1

К2, эВ/% 0.00475 0.004598 0.004599

К1, см3 4.3655 х 10-22 4.7896 х 10-22 6.2213 х 10-22

X, %-2 3.45 х 10-6 3.21 х 10-6 3.306 х 10-6

ст, МПа 62.16 53.278 55.364

ВЛИЯНИЕ АДСОРБИРОВАННОГО ХЛОРА НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

103

верхности является несколько повышенной относительно объема, что типично [3]; величина

ам ~ 1013 с-1 соизмерима с дебаевской частотой.

Участок ограниченного стока С « 10-13 см2 имеет размер 3 нм, при его увеличении может возникнуть микротрещина, а не пара дислокаций, расстояние между которыми должно быть на порядок больше [7]. Величина К0 характеризует энергию образования зародыша трещины при переползании пары краевых дислокаций (1/5цЬ3 [7]). Тогда выражение (8) можно интерпретировать, как долговечность зарождения и роста зародышевой трещины из ограниченного стока, размер которой более С, плотностью переползающих пар дислокаций.

Коэффициент а2 =Х-1 = 1.5 х 10-6 характеризует ширину плотности вероятности и шум при непрерывном переходе с бифуркацией типа логистического уравнения [8]. Детерминированное условие момента разрушения V > vкр в модели (1) (2) имеет место при притяжении дислокаций (4) и получено в [5] для V в виде 8-функции. В [1] гаус-сиан достаточно узкий и, с нашей точки зрения, в пределе может сходиться к 8-функции как плотность вероятности. В [8] 8-функция, наряду с несимметричными функциями плотности вероятности стационарных решений уравнения Фокке-ра-Планка (УФП), характеризует переходы типа логистического уравнения с линейным и квадратичным членами х:

(10)

где X — разность концентраций адсорбированного и десорбированного хлора на поверхности. Квадратичный член описывает объединение молекул хлора при десорбции. Параметр X в сумме с интенсивностью шума и сама интенсивность шума а2 параметризуют решение УФП (плотность вероятности из [1]).

При 0 <Х<ст2/2, а2 « 2Т/К2 имеем стационарную плотность вероятности вида [8] (стационарное решение УФП):

ехр (-хК2/ Т).

(11)

Это является стохастическим подтверждением выбора в качестве начального условия уравнения (3) равновесного распределения Больцмана и линейное вхождение х в показатель степени долговечности (8) с коэффициентом в виде интенсивности белого шума.

Переход к разрушению в [1] описывается плотностью вероятности типа 8(х)-функции. Дополнительно со степенным или экспоненциальным распределением долговечности (8) в данной работе это может объясняться фрактальными свойствами системы [10] "дислокационная структура

трещины-адсорбат хлора на ее поверхности-раствор анода в электролите".

Электрохимическая модель. Долговечность коррозионного растрескивания пропорциональна степенной зависимости концентрации хлора х [3], логарифм которой зависит от изменения равновесного потенциала нулевого заряда физ двойного слоя на границе стали и электролита, поэтому выражение (8) необходимо умножить на вероятность электрохимических процессов [3] ехр (-апГ)(фст - Физ)/Т, а в (7) добавить слагаемое — соответствующий показатель степени экспоненты, где фст — стационарный неравновесный потенциал между электродом и средой, когда сразу протекают несколько катодных и анодных процессов.

Долговечность (8) будет иметь вид:

(12)

^ т = ^ Т0 + й/Т - К^/Т -

- К2х/Т + апГ (фст - Физ)Т,

где а, п, ¥ — постоянные. Известно [3], что ионы [СгС1(И20)5]2+ при анодном растворении стали в потоке под действием электрического поля E распадаются на ионы Сг+, С1— и воду, и продукты попадают на катод. Поток ри на электродах создает поток концентрации с* ионов Сг+, плотность электрического тока ] и диффузионный поток ионов при их слабом выпадении из п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»