Конструкционные материалы
Structural materials
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СТАРЕНИЯ, ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ И СТРЕСС-КОРРОЗИОННОГО ПОРАЖЕНИЯ СТАЛЕЙ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
Ю. С. Нечаев Щ:
н^ Member of the International Editorial Advisory Board
ФГУП ЦНИИчермет им. И. П. Бардина, Институт металловедения и физики металлов им. Г. В. Курдюмова Тел.: 8-(495)-777-93-50; e-mail: yuri1939@inbox.ru
The paper considers the effective and efficient methods, designed to solve the issue-of-the-day technological challenges, those methods based on the development of technologically relevant fundamental aspects, underlying the mechanisms (physics) and interaction of such technological processes, as ageing and hydrogen-induced embrit-tlement of metal materials, implemented in hydrogen power engineering and for construction of trunk pipelines. The impact of these materials into degradation of operational features (including stress-corrosion damage), their service life and the service life of the structures, made of these materials, are the object of the study. Specially highlighted are the pressing problems of technological compatibility of metals with hydrogen, referred to material authority of hydrogen power engineering, namely hydrogen-induced embrittlement and degradation of physical and mechanical properties, which were announced in the Proceedings of the topical international conferences, held in 2006-2007, as well as no less acute problems of ageing and hydrogen-induced embrittlement of steels, the trunk pipelines are made from, formulated in the Proceedings of the Scientific-Practical Seminar, held in Nizhny Novgorod in 2006. As it is generally accepted, the obstacles, preventing urgent solution of the abovelisted problems, are stipulated by the insufficient fundamental knowledge of micromechanisms, underlying the processes mentioned. That is why the present paper focuses on the effective expansion of fundamental knowledge, both theoretical and experimental, based on the newly-developed by the authors, non-traditional and efficient conceptual and methodological approaches, involving nanotechnological principles, aimed at analysis of the bulky empirical data, as well as on the original results of the long-term studies, performed by the authors within the area, revealing interaction of ageing phenomenon and hydrogen embrittlement, which was previously neglected by the majority of scientists. The present report, as distinct from another ones, considers the concomitant fundamental process of formation of carbon hydride-like (and another) nano-segregates on dislocations (with segregation capacity of 1,5-2 times higher than that used for the well-known Cottrell cloud model) and on grain boundaries, as well as the effects posed by such unusual nano-segregates on technological processes (ageing, hydrogen embrittlement) and physical/mechanical properties of metal materials, namely the life cycle of steels, the trunk pipelines are made from.
1. Введение
Общая фундаментальная научная проблема, интенсивно изучаемая в мире на протяжении нескольких десятков (и более) лет, относится к физике (фундаментальные основы и микромеханизмы) водородного охрупчивания и деградации физико-механических свойств металлических материалов в связи с актуальными научно-технологическими проблемами:
1) материаловедческая проблема водородной энергетики по технологической совместимости металлических материалов с водородом (из-за водородного охрупчивания и деградации их физико-механических свойств);
2) фундаментальные аспекты (основы), микромеханизмы и взаимосвязь технологических процессов старения и водородного охрупчива-
ния металлических материалов и роли этих процессов в деградации эксплуатационных свойств и технологическом ресурсе сталей магистральных газопроводов.
Поэтому конкретная задача заключается в дальнейшем развитии необходимых (востребованных в технологическом плане) фундаментальных аспектов (основ) и раскрытии микромеханизмов и взаимосвязи технологических процессов старения и водородного охрупчивания металлических материалов водородной энергетики и магистральных газопроводов, а также роли этих процессов в деградации эксплуатационных свойств и технологическом ресурсе материалов и конструкций.
2. Современное состояние исследований
Как сформулировано в [1*], коррозия и водородное охрупчивание металлических матери-
Статья поступила в редакцию 24.09.2007 г. Ред. per. № 134. The article has entered in publishing office 24.09.2007. Ed. reg. No. 134.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11(55) 2007
© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»
алов тесно связаны с определенными элементами их микроструктуры и, в частности, с сегрегационными и диффузионными процессами, протекающими на внутренних структурно-фазовых поверхностях раздела (границах зерн и др.) и ассоциированных дефектах дислокационного типа; отмечается, что микромеханизмы таких процессов мало изучены.
В [1*] также отмечается, что фундаментальные знания о природе водородного охрупчива-ния металлов и сварочных соединений необходимы для стандартизации материалов, применяемых при создании водородной инфраструктуры. Подчеркивается необходимость фундаментальных исследований для раскрытия механизмов процессов водородной деградации и разрушения металлических материалов, что позволит усовершенствовать конструкционные материалы установок для хранения водорода.
В этой связи Министерством энергетики США сформулированы [1*] и рекомендованы актуальные направления фундаментальных исследований по раскрытию микромеханизмов (физики) процессов массопереноса водорода в металлах и инициируемых водородом процессов деградации свойств и разрушения металлических материалов.
Следует также особо отметить начало серийного производства ведущими автомобильными компаниями США, Японии, Германии и др. водородных автомобилей и автобусов на топливных элементах, в которых хранение водорода осуществляется в баллонах высокого давления (до 70 МПа) и имеется разветвленная инфраструктура стальных отводящих (разводящих) трубок для водорода при повышенном давлении. Поэтому проблема технологической совместимости металлических материалов с водородом (из-за водородного охрупчивания и деградации их эксплуатационных свойств) приобрела особую актуальность. Она, например, обсуждается в ряде докладов на Международной конференции «Водородная безопасность» (Италия, сентябрь 2007 г.), а также обсуждалась в ключевом докладе X. Бартхелеми на 16-й Всемирной конференции по водородной энергетике (Лион, Франция, июнь 2006 г.) [2*], в котором были представлены результаты вероятностно-следственного анализа промышленных (технологических) данных по аварийным ситуациям для металлических материалов и конструкций водородной энергетики. С другой стороны, в докладе Ю. С. Нечаева с соавторами [3*] на этой же конференции рассматривались пути решения данной проблемы на основе систематизации и причинно-следственного анализа соответствующих экспериментальных, теоретических и технологических данных, т. е. на основе раскрытия микромеханизмов процессов, чему в значительной мере посвящена настоящая статья.
Как отмечается многими исследователями, в том числе [1*-13*], микромеханизмы процессов водородного охрупчивания (одна сторона медали), пластифицирования (другая сторона медали), деградации свойств, а также технологических процессов водородной обработки металлических материалов изучены недостаточно (для эффективного решения ряда актуальных технологических проблем). Особенно ярко эта ситуация проявляется в отношении актуальных научно-технологических проблем старения, водородного охрупчи-вания, стресс-коррозии и деградации эксплуатационных свойств сталей магистральных газопроводов, в которых давление природного газа (метана) достигает 8 МПа [14*-28*].
Так, в работе [14*] отмечается следующее: «Анализ аварийных разрушений магистральных газопроводов показывает, что наряду с действием многих факторов (коррозия, пульсация температуры и давления газа), одним из весомых является наводороживание труб». Согласно данным [14*], содержание водорода в стенках аварийных труб на участке разрушения газопровода составляет 9-12см3/100г стали (0,045-0,06 ат. %), что в несколько раз превышает исходное содержание водорода (до 3 см3/100 г стали (0,015 ат. %)), а также содержание водорода в запасных, не эксплуатировавшихся трубах. На внутренних поверхностях стенок труб наблюдали [14*] отложения сажи (углерода), указывающие (вместе с отмеченным повышением содержания водорода в стенках аварийных труб) на диссоциацию адсорбированных молекул метана на углерод и водород, очевидно, растворяющийся в стали. Отметим, что в работе [28*] получены более низкие значения содержания водорода (до 0,032 ат. %) в стенках аварийных (с выраженной коррозионной поврежденностью) труб магистральных газопроводов после их эксплуатации в течение 20-34 лет; при этом содержание водорода в запасных трубах не превышало 0,014 ат. %, а в трубах текущего производства — 0,013 ат. % . Данные работ [14*, 28*] определенно доказывают протекание процесса наводороживания сталей магистральных газопроводов при их длительной эксплуатации, приводящей к аварийным стресс-коррозионным поражениям материала.
В работе [15*] отмечается: «Механизм явления стресс-коррозии трубных сталей до сих пор является предметом дискуссии; в качестве двух основных моделей растрескивания рассматриваются анодное растворение металла в вершине трещины и локальное водородное охруп-чивание».
В [16*-28*] представлены доклады, прочитанные на научно-практическом семинаре «Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов» (Нижний Новгород, 23-25 января 2006 г.), организованном Научно-исследовательским физико-техническим институтом Нижегородского го-
сударственного университета им. Н. И. Лобачевского (НИФТИ ННГУ) и Федеральной финансово-промышленной компанией «ФФПК МЕЛАКС».
Участники семинара признали (по-видимому, впервые в мире) проблему старения сталей магистральных газопроводов актуальной; при этом, в с
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.