Виды охрупчивания сталей и их причины

Различают два вида охрупчивания стали: внутризеренное охруп­чивание, вызванное наклепом внутренних объемов зерен ферритной матрицы, и межзеренное, обусловленное ослаблением границ зерен и снижением их когезивной (зернограничной) прочности. В общем случае суммарную степень охрупчивания Т_К можно представить в виде

где и - степень охрупчивания вследствие наклепа зерен и ослабления их когезивной прочности соответственно.

Различают технологические и эксплуатационные факторы ох­рупчивания сталей. Первые возникают в процессе изготовления, транспортировки и монтажа конструкции, вторые — в процессе ее эксплуатации.

К технологическим факторам охрупчивания относятся все виды воздействий на стадиях изготовления, транспортировки и монтажа оборудования, связанных с пластическим деформированием стали (например, вальцовка оболочек, холодная штамповка днищ, подгиб кромок обечаек, усадка металла в околошовной зоне при сварке и т.д.), а также ускоренное охлаждение сварных швов, приводящее к образованию крупнозернистых структур, наводороживание сварных швов при попадании влаги в сварочную ванну или использование непросушенных материалов и т.д.

Многочисленными исследованиями (ЦНИИПСК им.Мельнико­ва) установлено, что при пластической деформации стали, например СтЗсп, на 3...5 % плотность дислокаций в феррите возрастает на пол­тора-два порядка, т. е. увеличивается плотность дефектов кристалли­ческой решетки. Наличие в металле многочисленных дислокаций, имеющих зоны растяжения, вызывает приток в эти зоны атомов вне­дрения типа углерода и азота. Закрепление дислокаций атомами внедрения приводит к снижению их подвижности и, соответственно, к повышению предела текучести. Этот эффект проявляется также в элементах конструкции, испытывающих перегрузки и работающих в условиях малоцикловой усталости.

Явление повышения предела текучести и сопутствующее ему охрупчивание стали получило название деформационного старения.

В ряде случаев неучет этого явления приводит к большим эконо­мическим потерям. Так, по данным В.М. Горицкого (ЦНИИПСК им. Мельникова), вследствие недостаточной хладостойкости стали и хрупкого трещинообразования в зоне кольцевых швов в 2002 г. на Ангарском нефтехимическом комбинате были списаны четыре сварных вертикальных резервуара для хранения нефти объемом 30 000 м³ каждый. Для стенок резервуаров использовали листовую сталь 09Г2С 12-й категории толщиной 12...18 мм. Многие партии го­рячекатаного проката имели минимальный запас хладостойкости. Пластическая деформация стали, возникающая при рулонной техно­логии сборки, вызвала охрупчивание металла. В результате только 50 % обследованных листов после технологической операции руло-нирования удовлетворяли требованиям ГОСТ 19281-89 к стали 09Г2С 12-й категории.

В связи с этим в нормативных документах, разработанных в по­следние годы, эффект деформационного старения учитывается. Так, в «Правилах устройства вертикальных цилиндрических стальных ре­зервуаров для нефти и нефтепродуктов» (§2.4.3 ПБ 03-605-03) для резервуаров с рулонной технологией сборки, по сравнению с поли­стовой, расчетная температура металла при толщинах свыше 10 мм понижается на 5 °С.

К эксплуатационным факторам относят все виды механических, тепловых, коррозийных и химических воздействий на металл в пери­од эксплуатации конструкции. К их числу относят:

• длительное воздействие повышенных температур (250...500 °С), приводящих к укрупнению зерна феррита и развитию обратной от­пускной хрупкости;

• появление закалочных крупнозернистых структур в зоне свар­ных швов при нарушении технологии сварки в процессе ремонта (попадание влаги в сварочную ванну) или при ускоренном охлажде­нии сварного соединения (например, при сварке в зимний период без предварительного подогрева свариваемого металла);

• наводороживание металла сварных швов (при попадании влаги в сварочную ванну или при использовании непросушенных электро­дов и сварочных материалов);

• коррозийное растрескивание под напряжением, обусловленное воздействием механических нагрузок и электрохимических процес­сов коррозии;

• сезонную подвижку фундаментов опор машины и примыкаю­щих трубопроводов, кратковременные перегрузки в период пуска или испытаний под нагрузкой и др.

Наиболее сложно обеспечить требуемое качество сварных швов при ремонте наводороженных в период эксплуатации металлоконструкций. При сварке такого металла сварочная ванна «кипит», а на­плавленный металл при затвердевании обладает большой пористо­стью, приводящей к растрескиванию. Для получения удовлетвори­тельного качества сварного соединения необходимо предварительно удалять водород путем нагрева наводороженной конструкции до тем­пературы 500...550 °С и выдержки в течение 3...4 ч.

Второй вид охрупчивания, обусловленный снижением прочности границ зерен, является наиболее опасным. При зернограничном охрупчивании смещение температуры вязко-хрупкого перехода может достигать сотен градусов (рис. 11.1) [12].

Зернограничное охрупчивание может происходить под воздейст­вием азотирования и науглероживания поверхностных слоев стали, обусловленных наличием (при повышенных температурах эксплуата­ции) в среде соответственно азота или углерода, или из-за сегрега­ции вредных примесей типа фосфора, сурьмы, мышьяка и т.д. и вы­деления карбидов по границам зерен при длительном (более 100 ч) воздействии повышенных (250...500 °С) температур. Наиболее частой причиной зернограничного охрупчивания материалов оборудования газонефтедобывающей и перерабатывающей промышленности явля­ется наводороживание металла из-за наличия в технологическом продукте сопутствующего сероводорода или других водородсодержащих газовых или жидкостных сред.

Рис. 11.1. Схема изменения температурной зависимости трещиностойкости К_с стали вследствие зернограничного охрупучивания

Сероводород сопутствует добыче нефти и природного газа, и для разных месторождений его содержание составляет 9...25 %. В при­сутствии воды происходит каталитическая реакция с выделением водорода и сернистого железа

Атомарный водород, имеющий малый диаметр, проникая в ме­талл по границам раздела фаз и несплошностям, скапливается в по­рах ферритной матрицы. Дальнейшее накопление водорода приводит к его молизации, сопровождающейся возникновением повышенного давления в порах. На процесс диффузии водорода влияют поле на­пряжении, градиент температуры и дефектность строения металла. При неблагоприятном сочетании этих факторов в металле происхо­дит сероводородное растрескивание и расслоение, которое может возникать внутри конструкции вдалеке от ее поверхности. Склон­ность к сероводородному растрескиванию под напряжением (СРН) определяется особенностями структуры металла; наличием структур­ных неоднородностей, количеством и распределением неметалличе­ских включений, химическим составом. СРН более характерно для высокопрочных сталей аустенитного и аустенитно-мартенситного классов и возникает чаще всего в зонах термического влияния свар­ных швов. Сероводородному расслоению подвергаются, как прави­ло, сосуды, аппараты и трубопроводы из углеродистых и низколеги­рованных сталей; в отдельных случаях может происходить СРН свар­ных соединений.