Разработка устройств формирования трещин на изогнутых образцах

Премия Пола МакИнтайра вручается старшему инженеру-коррозионисту, который, будучи ведущим практикующим специалистом в своей области, внес существенный вклад в развитие европейского сотрудничества и разработку международных стандартов (в предметной области данной премии). Обладателем первой награды был Улф Кивисакк из компании AB Sandvik Materials Technology R&D в Швеции Награда была вручена на прошедшем недавно симпозиуме по коррозии за работу Улфа по разработке стандартного метода испытаний ISO для оценки щелевой коррозии нержавеющей стали. В данной статье его работа описывается более подробно.

Хорошо известно, что щелевая коррозия имеет большое значение, когда речь идет о нержавеющей стали в морской воде, и во многих случаях появление щелевой коррозии влияет на максимальную рабочую температуру. На протяжении более двух десятилетий испытания на щелевую коррозию были важным направлением деятельности рабочей группы Европейской федерации специалистов по борьбе с коррозией, отвечающей за коррозию в морских условиях, и было предложено несколько программ испытаний. В двух первых программах испытаний на щелевую коррозию в естественной морской воде результаты не коррелировали с данными на основе опыта эксплуатации, кроме того, воспроизводимость была низкой, и наблюдался большой разброс в результатах разных лабораторий, а также в пределах одной лаборатории. Например, стандартная аустенитная сталь марки 316L не проявляла воздействия щелевой коррозии после 6 месяцев наблюдения.1

Известно, что параметры окружающей среды, такие как температура, геометрия трещины, тип морской воды, содержание кислорода, влияют на стойкость нержавеющей стали к щелевой коррозии. Поэтому рабочая группа запустила финансируемый ЕС проект "Crevcorr", в рамках которого была разработана воспроизводимая модель как для плоских, так и для изогнутых образцов. В рамках того же проекта велась параллельная работа с новой биосинтетической морской водой, а также утверждены процедуры полевых и электрохимических испытаний.

ТАРЕЛЬЧАТЫЕ ПРУЖИНЫ

Одним из основных недостатков использования стандартного полимерного элемента для формирования трещин, закрепляемого болтами и гайками, состоит в том, что усилие зажима непостоянно по времени и температуре. Усилие зажима определяет щелевой зазор, который наряду с глубиной трещины является важным параметром для возникновения щелевой коррозии, как показано на модели.

Один из способов поддержания постоянного усилия зажима – это использование тарельчатых пружин, поэтому в проекте "Crevcorr" был разработан регулируемый элемент с тарельчатыми пружинами (рисунок 1). Для испытания в естественной морской воде без электрохимического контроля были установлены размеры образца 10x10 см, чтобы обеспечить достаточное катодное пространство.

Рисунок 1. Модель для испытаний на щелевую коррозию с комплектом тарельчатых пружин для трубных образцов, разработанных в рамках проекта Crevcorr.

Для изготовления элементов формирования трещин был выбран поливинилиденфторид (ПВДФ), поскольку этот материал обладает стабильными механическими свойствами в диапазоне температур испытания (до 90°C), что позволило избежать потерь зажимного усилия, которые были характерны для ПТФЭ при температуре выше температуры окружающей среды.

Наряду с усовершенствованной процедурой испытания были получены воспроизводимые результаты как лабораторных испытаний, так и испытаний в полевых условиях. Через 6 месяцев воздействия в полевых условиях в шести лабораториях все образцы марки 316L были подвержены щелевой коррозии. Это было существенным улучшением по сравнению с двумя предыдущими программами испытаний, проводимыми рабочей группой, в которых 45% и 50% образцов на удивление успешно прошли 6-месячные лабораторные испытания в естественной морской воде.

ИЗОГНУТЫЕ ОБРАЗЦЫ

Чтобы обеспечить для изогнутых образцов такие же условия как для плоских образцов, использовалось моделирование методом конечных элементов (МКЭ). При моделировании усилие зажима устройств формирования трещин для трубчатых образцов было определено, подобно плоским образцам, для нескольких размеров трубки. Аналогичные условия внутри трещины были достигнуты путем регулирования усилия зажима. По причине изогнутости трубок и, соответственно, элементов формирования трещин, давление вдоль щелевого зазора было непостоянным. Тем не менее, результаты моделирования МКЭ показали, что для трубки небольшого диаметра распределение поверхностного давления больше, чем для трубки большого диаметра. Также очевидно, что распределение происходит в радиальном направлении. По результатам моделирования была построена калибровочная кривая зависимости зажимного усилия от диаметра трубки (рисунок 2).

Рисунок 2. Калибровочный график, полученный в результате моделирования МКЭ, рекомендованного усилия зажима в зависимости от диаметра трубки.

Максимальное усилие зажима на калибровочном графике такое же, как для плоского образца. Для стандартной дуплексной нержавеющей стали UNS S31803 испытание на щелевую коррозию было выполнено на трубках с усилием зажима, соответствующим калибровочной кривой, а результаты сравнивали с данными для трещин в основном металле в синтетической морской воде, полученными по программе круговых испытаний. В двух лабораториях было обнаружено, что щелевая коррозия возникает при температуре 30°C для изогнутых образцов, которые были аналогичны образцам из листового материала той же марки, испытанным в шести лабораториях. Следует отметить, что щелевой зазор в осевом направлении был таким же, как при испытании плоских образцов. Отсюда вытекает, что зоны с аналогичным усилием зажима в радиальном направлении достаточно для получения согласующихся результатов для плоских образцов.

Вместо определения размера образца для изогнутых образцов определяют площади образцов.

В данной работе для испытания предлагалось использовать образец с площадью внешней поверхности 100 см2. Внутренняя поверхность также выступает в качестве катодного участка, поэтому общая площадь составляет около 200 см2, что равно площади плоских образцов с обеих сторон. При использовании в испытании потенциостата площадь катода не требуется, поскольку потенциостат моделирует катод бесконечной площади.

РАСЧЕТНАЯ КРИВАЯ ДЛЯ UNS S33207 В МОРСКОЙ ВОДЕ

Расчетная кривая представляет собой важный инструмент для демонстрации стойкости к местной коррозии в хлоридной среде с использованием технологии тарельчатых пружин. Применялись плоские образцы и усилие зажима 0,9 кН для прижатия элементов формирования трещин к образцу.

Измерение потенциала щелевой коррозии выполнялось с помощью поляризационных кривых. Были получены критические значения потенциала щелевой коррозии.

Использовался контрольный раствор - 3% хлорид натрия и продувка азотом.

Образцы испытывались при потенциале -100 мВ (каломельный электрод) в течение 10 минут, затем потенциал был аноднополяризован со скоростью 0,17 мВ/с до достижения 1000 мВ (каломельный электрод) или суммарного тока более 1 мА. Критерием возникновения щелевой коррозии была плотность тока 100 мкА/см2 и визуальное наблюдение. Испытывались три одинаковых образца.

На рисунке 3 показан потенциал, при котором наблюдалась щелевая коррозия, в зависимости от температуры. Расчетная кривая демонстрирует явное различие в стойкости к щелевой коррозии между гипердуплексной сталью UNS S33207 и супердуплексной UNS S32750.

Рисунок 3. Расчетные кривые зависимости потенциала щелевой коррозии от температуры испытания. Символом • показано среднее значение для трех одинаковых образцов.

Зона, в которой возникновение щелевой коррозии не зависит от потенциала, испытывалась при более высокой температуре. Кроме того, при температурах выше диапазона, в котором нет зависимости от потенциала, уровень потенциала возникновения щелевой коррозии выше для стали UNS S33207, чем для стали UNS S32750.

ВЫВОДЫ

Были разработаны воспроизводимые процедуры испытания щелевой коррозии и получены непротиворечивые результаты в межлабораторных и полевых испытаниях. Разработана конструкция образца с использованием тарельчатых пружин для плоских и изогнутых образцов, обеспечивающая сопоставимые результаты.

Конструкция была стандартизирована в стандарте ISO 10870 и может использоваться для получения расчетных кривых.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Т. Ронге, Публикации Европейской федерации специалистов по борьбе с коррозией №60, 2010 г, стр. 67-87.