научная статья по теме РОЛЬ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЙ СЕГРЕГАЦИОННОЙ НАНОФРАГМЕНТАЦИИ В ВОДОРОДНОМ ОХРУПЧИВАНИИ И РАЗРУШЕНИИ СТАЛЕЙ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «РОЛЬ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЙ СЕГРЕГАЦИОННОЙ НАНОФРАГМЕНТАЦИИ В ВОДОРОДНОМ ОХРУПЧИВАНИИ И РАЗРУШЕНИИ СТАЛЕЙ»

HYDROGEN IN METALS AND ALLOYS

РОЛЬ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЙ СЕГРЕГАЦИОННОЙ НАНОФРАГМЕНТАЦИИ В ВОДОРОДНОМ ОХРУПЧИВАНИИ И РАЗРУШЕНИИ СТАЛЕЙ

Ю. С. Нечаев, В.А. Поздняков

ГНЦ «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.9/23 тел.+495-7779301, e-mail: yuri@inbox.ru

Институт металловедения и физики металлов им. Г.В. Курдюмова 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.9/23

Работа посвящена рассмотрению эффективных путей решения ряда актуальных технологических проблем на основе разработки необходимых (востребованных в технологическом плане) фундаментальных (физических) аспектов, раскрытия наноструктурных механизмов и взаимосвязи технологических процессов старения и водородного охрупчивания металлических материалов водородной энергетики и магистральных газопроводов и их роли в деградации эксплуатационных свойств (в том числе в стресс-коррозионных повреждениях) и технологическом ресурсе данных материалов и конструкций. Особое внимание уделяется актуальным проблемам старения и водородного охрупчивания сталей магистральных газопроводов, сформулированным в трудах специализированного научно-практического семинара (Нижний Новгород, 2006 г.), а также актуальной материаловедческой проблеме водородной энергетики по технологической совместимости металлических материалов с водородом, сформулированной в трудах специализированных международных конференций 2006-2007 гг. В отличие от большинства других работ, рассматривается сопутствующий фундаментальный процесс структурно-фазовой сегрегационной нанофрагментации материала, т.е. образования карбогидридоподобных и др. нано-сегрегаций на дислокациях (с сегрегационной емкостью на один-полтора порядка выше, чем в широко используемой модели «облаков» Коттрелла) и границах зерен, а также влияние таких наносегрегаций на технологические процессы (старение, водородное охрупчивание, стресс-коррозия и разрушение) и физико-механические свойства металлических материалов, в том числе на технологический ресурс сталей магистральных газопроводов.

The possibilities of effective solutions of relevant technological problems are considered based on the analysis of fundamental physical aspects, elucidation of the nano-structural mechanisms and interrelations of aging and hydrogen embrittlement of materials (steels) in the hydrogen industry and gas-main industries. The adverse effects these mechanisms and processes have on the service properties and technological lifetime of materials are analyzed. The concomitant fundamental process of formation of car-bohydride-like and other segregation nanostructures at dislocations (with the segregation capacity 1 to 1.5 orders of magnitude greater than in the widely used Cottrell "atmosphere" model) and grain boundaries is discussed, as is the way in which these nanostructures affect technological processes (aging, hydrogen embrittlement, stress corrosion damage, and failure) and the physi-comechanical properties of the metallic materials (including the technological lifetimes of pipeline steels).

NANO-FRAGMENTATION STRUCTURAL-PHASE SEGREGATION ROLE IN THE HYDROGEN BRITTLE BEHAVIOR AND STEEL DESTRUCTION

Yu.S. Nechaev, V.A. Pozdnyakov

SSC "I.P. Bardin CSRI Chermet", 9/23, 2nd Baumanskaya str., Moscow, 105005 Phone +495-7779301, e-mail: yuri@inbox.ru Physical Metallurgy and Physics of Metals G.V. Kurdumov Institute 9/23, 2nd Baumanskaya str., Moscow, 105005

Введение

Общая фундаментальная научная проблема, интенсивно изучаемая в мире на протяжении последних нескольких десятков лет, относится к физике водородного охрупчивания и деградации физико-механических свойств металлических материалов в связи с актуальными научно-технологическими «открытыми» вопросами:

1) металловедческие аспекты водородной энергетики по технологической совместимости металлических материалов с водородом (из-за водородного охрупчивания и деградации их физико-механических свойств);

2) физические аспекты (основы), микромеханизмы и взаимосвязь технологических процессов старения и водородного охрупчивания металлических материалов и роли этих процессов в деградации эксплуатационных свойств и технологическом ресурсе сталей магистральных газопроводов и водородной инфраструктуры, в т.ч. в конструкциях (изделиях) автотранспортной, авиационной и космической индустрий.

Поэтому конкретная задача (в рамках указанной выше проблемы), рассматриваемая в настоящем аналитическом обзоре, заключается в дальнейшем развитии необходимых (востребованных в технологическом плане) физических 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.

Современное состояние исследований

Как сформулировано в трудах [1] Конференции по фундаментальным основам производства, хранения и использования водорода (в разделе «Безопасность водородной экономики»), проведенной в 2003 г. Министерством энергетики США, коррозия и водородное охрупчивание металлических материалов тесно связаны с определенными элементами их микроструктуры, и в частности, с сегрегационными и диффузионными процессами, протекающими на внутренних структурно-фазовых поверхностях раздела (границах зерен и др.) и ассоциированных дефектах дислокационного типа; отмечается, что микромеханизмы таких процессов мало изучены. В разделе «Потенциальные воздействия» [1] также указывается, что фундаментальные знания о природе водородного охрупчивания металлов и сварочных соединений (конструкций) необходимы для стандартизации материалов, применяемых при создании водородной инфраструктуры.

В разделе «Основные исследовательские вызовы в аккумулировании (хранении) водорода» (подраздел «Безопасность») подчеркивается [1], что необходимы фундаментальные исследования механизмов процессов водородной деградации и разрушения металлов и

сплавов для усовершенствования (оптимизации) конструкционных материалов для резервуаров, контейнеров и баллонов для хранения водорода (рис. 1-3).

шяят

Рис. 1. Аварийное разрушение (1983 г.) стального баллона (контейнера) для транспортировки газообразного водорода (при высоком давлении). Показано водородное растрескивание, инициированное «язвенной» коррозией (питтингом) материала [2]

Fig. 1. Breakdown destruction (1983) of a steel cargo transporter for gaseous hydrogen (at high pressure). Hydrogen crumbling initiated by ulcerous corrosion of the material is shown [2]

/ к

Рис. 2. Аварийное разрушение (взрывного типа) стального водородного цилиндрического баллона. Показано, в частности, межзеренное (водородное) растрескивание материала [2] Fig. 2. Breakdown destruction (explosion type) of a steel hydrogen cylindrical ballon tyre. In particular crumbling of the material between hydrogen grains is shown [2]

26

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

Щ1

Рис. 3. Аварийное разрушение (взрывного типа) стального резервуара для хранения газообразного водорода (при высоком давлении) [2] Fig. 3. Breakdown destruction (explosion type) of a steel cargo transporter for gaseous hydrogen (at high pressure) [2]

В этой связи Министерством энергетики США сформулированы и рекомендованы [1] 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 Китая водородных автомобилей и автобусов на топливных элементах, в которых хранение водорода осуществляется, главным образом, в баллонах высокого давления (до 80 МПа) и имеется разветвленная инфраструктура стальных разводящих трубок для транспорта водорода при повышенном давлении.

Таким образом, проблема технологической совместимости металлических материалов с водородом приобрела особую актуальность. Она, например, обсуждалась в ряде докладов на Международной конференции «Водородная безопасность» (Италия, сентябрь 2007 г.), а также в ключевом докладе Х. Барт-хелеми (Herve Barthélémy) [2] на 16-й Всемирной конференции по водородной энергетике. В докладе [2] были представлены результаты вероятностно-следственного анализа промышленных (технологических) данных по аварийным ситуациям (рис. 1-3) для металлических материалов и конструкций водородной энергетики.

В докладах Ю.С. Нечаева с соавторами [3, 4] были рассмотрены эффективные пути решения данной проблемы на основе систематизации и причинно-следственного анализа соответствующих экспериментальных, теоретических и технологических дан-

ных, т.е. на основе раскрытия микромеханизмов процессов, чему в значительной мере посвящен настоящий обзор.

Имеются основания, например [1-34], полагать, что микромеханизмы процессов водородного охрупчивания, пластифицирования, деградации свойств, а также технологических процессов водородной обработки металлических материалов изучены недостаточно. Особенно ярко эта ситуация проявляется в отношении актуальных научно-технологических проблем старения, водородного охрупчивания, стресс-коррозии и разрушения сталей магистральных газопроводов (рис. 4-12), в которых давление природного газа (метана) достигает 8 МПа [13-27].

н

Рис. 4. Аварийные случаи (из [22]) лавинных хрупких и протяженных вязких разрушений участков магистральных газопроводов (МГП) длиной в несколько километров,

введенных в эксплуатацию в 60-е годы Fig. 4. Breakdown cases [22] of avalanche-type brittle and stretched viscous destructions of sections in main gas pipelines opened up in the 60s several kilometers' length

62%

21,8%

13,2%

2,6% 0,4%

Стресс- Брак Наружная Внутренняя Усталостное

коррозия заводского коррозия коррозия разрушение (KPI1) изготовления (без учета и эрозия труб КРН)

Рис. 5. Относительная

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 «Комплексное изучение отдельных стран и регионов»