К 65-летию ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина»
УДК 669.14.018.28
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА СКОРОСТЬ КОРРОЗИИ ТРУБНОЙ СТАЛИ В ТЕПЛОВЫХ СЕТЯХ
© Плешивцев Всеволод Георгиевич1, Филиппов Георгий Анатольевич2, д-р техн. наук; Пак Юрий Алексеевич3, Ливанова Ольга Викторовна2, канд. техн. наук
Департамент топливно-энергетического хозяйства г. Москвы. Россия, 103104, Москва, Б. Бронная ул., 14.
2ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина».
Россия, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 9/23. Тел. : +7 (495) 777 93 01, e-mail: chermet@chermet.net 3ЗАО «ЮННА ПАК». Россия, 109462, Москва, Волгоградский пр., 74, к. 2
Статья поступила 05.06.2009 г.
Увеличение содержания углерода в стали повышает скорость коррозии. Сравнительные коррозионные испытания образцов без предварительной деформации и в напряженном состоянии показали, что деформация приводит к увеличению скорости коррозии.
Ключевые слова: коррозионная стойкость металла; скорость коррозии; деформация; предел текучести.
Аля оценки состояния металла труб теплосетей необходимо оценить факторы, влияющие на скорость коррозии. Известно, что химический состав трубной стали влияет на скорость коррозионных процессов [1-4]. Поскольку в качестве основного материала для труб теплосетей используются простые углеродистые и низколегированные стали, то основным фактором, от которого зависит коррозионная стойкость металла труб, является степень их чистоты по неметаллическим включениям и содержание углерода [5-10]. С другой стороны, скорость коррозии в значительной степени зависит от структурного состояния, что затрудняет однозначную трактовку влияния содержания углерода в металле и его деформации [6].
Так, в работе [5] показано, что в сталях с содержанием углерода 0,05-0,80% характер коррозионных диаграмм одинаков - параболическая зависимость скорости коррозии от температуры отпуска. Однако с ростом содержания углерода скорость коррозии увеличивается при всех режимах термообработки, а максимум скорости смещается от температуры отпуска 250 °С для армко-железа (0,05% С) до 400-450 °С для стали с 0,60-0,80% С. Как показали исследования, хотя скорость коррозии стали в закаленном состоянии, как правило, ниже, чем в горячекатаном, однако для обоих состояний с ростом содержания углерода в исследованных пределах она возрастает примерно на два порядка (в 80-140 раз).
Известно также положительное влияние карбони-тридообразующих элементов на сопротивление коррозионным процессам [5]. В частности, добавка 0,05% ниобия сдвигает чувствительность к межкристал-литной коррозии к большему содержанию примесей внедрения (от 0,01 до 0,015%), что, по-видимому, связано со снижением содержания примесей внедрения
в твердом растворе в результате образования карбо-нитридных фаз.
Для оценки влияния содержания углерода на скорость коррозии в трубной стали были выбраны образцы труб с содержанием углерода 0,04; 0,13 и 0,21%. При этом использовали как данные лабораторных экспериментов, так и фактические результаты замеров толщины стенки труб после длительной эксплуатации (см. таблицу и рис. 1).
Из полученных данных следует, что увеличение содержания углерода в трубной стали от 0,04 до 0,21% повышает среднюю скорость коррозии почти в два раза (с 0,08 до 0,17 мм/год).
Коррозионные испытания низкоуглеродистой стали состава, мас. %: 0,04 С; 0,15 Б1; 0,80 Мп; 0,010 Р; 0,008 Б; 0,038 Сг; 0,027 N1; 0,040 Си проводили на пластинах размерами 10x80x1 мм с отверстием диам. 3 мм. Перед испытаниями образцы подвергали нормализации по следующему режиму: нагрев в вакуумной трубке при 910 °С в течение 20 мин, охлаждение на воздухе. Сравнительные коррозионные испытания образцов проводили без предварительной деформации и в напряженном состоянии (в области перехода упругих
0,18-1
0,14-
" 2 0,10-
о CP
о «
U
0,06
0,05 0,10 0,15 0,20 Содержание углерода, %
0,25
Рис. 1. Влияние содержания углерода на среднюю скорость коррозии трубных сталей
0
Зависимость скорости коррозии от содержания углерода в трубной стали
Содержание углерода, % Срок эксплуатации, годы t , исх' мм £ср , кон' мм и , ср' мм/год Примечания
0,04 - - - 0,08 Лабораторные испытания
0,13 22 7 4 0,14 Реальная эксплуатация
0,21 21 7 3,5 0,17
напряжений в пластические) при приложении изгибающей нагрузки, близкой к пределу текучести стали. Нагружение образцов осуществляли «заневоливани-ем» в струбцинах по схеме, показанной на рис. 2, затем образцы помещали в 3%-ный раствор ЫаС1 с рН = 6,0.
Результаты испытаний показали, что склонность к общей коррозии низкоуглеродистой стали в состояниях нормализованом и в деформированном при напряжении, близком к пределу текучести, достаточно близка (рис. 3); но в то же время очевидно, что деформация ведет к увеличению скорости коррозии. Скорость коррозии определяется, как годовая потеря массы с единицы площади, отнесенная к плотности стали. Так, потеря массы за три месяца коррозионных испытаний образцов без деформации составила 107 г/м2, а деформированного металла - 129 г/м2. В результате эксперимента установлено, что средняя скорость коррозии ик образцов без деформации составила 0,0061 мм/год, а ик образцов под напряжением -0,0083 мм/год, т.е. скорость коррозии в результате деформации увеличилась на 36%. Зависимость скорости коррозии ик от пластической деформации е можно выразить соотношением:
ик = ик 0 (1 + ке),
где ик0 - скорость коррозии металла без предварительной деформации, к - коэффициент деформационной чувствительности скорости коррозии. Эффект влияния пластической деформации на скорость коррозии связан с увеличением скорости диффузионных процессов вдоль дислокаций и их групп и с уменьшением энергии активации коррозии за счет внутренних напряжений в области дефектов.
Зависимость скорости коррозии от степени пластической деформации может быть использована для прогнозирования коррозионного поведения трубной стали при эксплуатации.
Исследованная низкоуглеродистая сталь (0,04% С) с ферритной структурой по величине годовой потери
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Время коррозионных испытаний, сут
Рис. 3. Влияние деформации на потерю массы образцов из углеродистой стали при коррозионных испытаниях
массы может быть отнесена (по ГОСТ 13819) к группе весьма стойких сталей (балл 3 по десятибалльной шкале коррозионной стойкости металлов). Это обуслов-ленно, прежде всего, низким содержанием углерода в исследованной стали и равновесным структурным состоянием после нормализации [1]. Однако даже для такой весьма стойкой к общей коррозии стали влияние деформации на скорость коррозии оказалось достаточно существенным.
Таким образом, при рассмотрении влияния коррозионных процессов на изменение напряженного состояния труб необходимо учитывать содержание углерода в стали и уровень приложенных напряжений. Увеличение содержания углерода в стали и упругие напряжения повышают скорость коррозии, что может привести к росту уровня кольцевых напряжений в стенке трубы за счет уменьшения ее толщины. Известно, что от уровня напряжений в стенке трубы зависит интенсивность развития деградационных процессов в металле, приводящих к снижению трещи-ностойкости [2]. Кроме того, увеличение содержания углерода в стали повышает склонность ее к деформационному старению, что также снижает пластичность и вязкость стали. Поэтому можно полагать, что повышение содержания углерода в трубной стали может как непосредственно (через увеличение склонности в деформационному старению), так и косвенно (через ускорение коррозии) негативно сказываться на развитии деградационных процессов и эксплуатационной надежности труб теплосетей.
Выводы. 1. Показано отрицательное влияние углерода и приложенных упругих напряжений на среднюю скорость общей коррозии низколегированной стали.
2. Увеличение содержания углерода с 0,04 до 0,21% повышает среднюю скорость коррозии почти в два раза.
3. Упругое нагружение до напряжения, близкого к пределу текучести, увеличивает среднюю скорость коррозии низколегированной стали с содержанием о, углерода 0,04% примерно на 36%.
4. Уменьшение содержания углерода в стали яв- ™ ляется одним из факторов, способствующих повышению коррозионной стойкости, снижению склонности | к развитию деградационных процессов и увеличению < эксплуатационного ресурса труб тепловых сетей.
Библиографический список
1. Толманов Н.Д., Чернова Г.П. Коррозия и коррозион-ностойкие сплавы. - М. : Металлургия, 1973. - 231 с.
2. Филиппов Г.А., Ливанова О.В. Взаимодействие дефектов структуры и деградация свойств конструкционных материалов // Материаловедение. - 2002. - № 10. - С. 17-21.
3. Саррак В.И., Филиппов Г.А. Релаксация остаточных микронапряжений при отдыхе и низкотемпературном отпуске мартенсита закаленной стали // ФММ. - 1975. - Т. 40, вып. 4. - С. 806-811.
4. Балабан-Ирменин Ю.В., Рубашов А.М. Внутренняя коррозия металла в системах централизованного теплоснабжения, проблемы и пути ее решения. - М. : Научное издание ОАО ВТИ, 2004. - С. 54.
5. Калмыков В.В. Влияние углерода на коррозионное поведение термически упрочненного проката // Защита металлов. - 1987. - Т. 23, № 4. - С. 659-662.
6. Калмыков В.В., Гречная И.Я. Пути повышения коррозионной стойкости термически упрочненного проката. Сб.:
«Черная металлургия. Наука-технология-производство».
- М. : Металлургия, 1989. - С. 356.
7. Скорчеллети В.В. Теоретические основы коррозии металлов. - Л. : Химия, 1973. - 264 с.
8. Родионова И.Г., Бакланова О.Н., Липовских В.М., и др. Повышение стойкости против локальной коррозии трубопроводов тепловых сетей из углеродистых и низколегированных сталей // Тр. научно-практич. сем. «Коррозионно-активные неметаллические включения в углеродистых и низколегированных сталях». - М. : Металлургиздат, 2005.
- С. 127-134.
9. Зайцев А.И., Родионова И.Г. и др. Природа и механизмы образования в стали коррозионно-активных неметаллических включений. Пути обеспечения чистоты стали по этим включениям // Там же. С. 135-153.
10. Реформатская И.И., Подобаев А.Н., Флориано-вич Г.М. и др. Оценка стойкости низкоуглеродистых трубных сталей при коррозии в усло
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.