автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.14, диссертация на тему:Прогнозирование защитного влияния алюминиевых покрытий на коррозионно-механическое поведение углеродистых сталей в сероводородсодержащих средах

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА

им. И.М.Губкина

На правах рукописи

с v

СЕНКЕВИЧ ОЛЕГ ВИКТОРОВИЧ

УДК 620.197; 620./197:001.13

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО ВЛИЯНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В СЕРОВОдОРОдОСОдЕРЖАДИХ СРЕДАХ

Специальность 05.17.14 "Химическое сопротивление

материалов и защита от коррозии"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре "Металловедения и неметаллических материалов" Государственной академии нефти и газа им.И.М.Губкина

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор СААКИЯН Л.С.

Официальные оппоненты:

доктор Физико-математических наук ГОЛЬдШТЕЙН Р.В.

кандидат технических наук ТИХОМИРОВ А.Д.

Ведущее предприятие:

Всесоюзный научно-исследовательский институт природные газов /ВНИИГАЗ/

защита диссертации состоится

ЛС&Л- 1994 г / со

в / О часов на заседании специализированного совета Д.053.27.13 в Государственной академии нефти и газа им. И.М.Губкина по адресу: 117917, г^Москва, Ленинский проспект, 65, ауд ■ 2-02-.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной академии нефти и газа им.И.М.Г'убкина.

Автореферат разослан

Ученый секретарь спе-циалиализированного совета Д.053.27.13, к.т.н., доцент

Е.Е.Зорин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из основных причин раз-ушения деталей нефтегазового оборудования в' сероводо-эдсодержащих средах является сероводородное коррозион-ое растрескивание /СКР/. Проблема защиты конструкцион-материалов от СКР приобрела в настоящее время боль-/ю актуальность в связи с увеличением аварийности всле-;твие возрастания доли добычи и переработки высокосер--1Стой неф'г и и газа.

Практика эксплуатации оборудования нефтяной и газо-зй промышленности свидетельствует о том, что, несмотря а широкое и эффективное применение ингибиторов корро-•1и, наиболее действенным методом борьбы с СКР является пользование конструкционных материалов со свойствами, 5еспечивамщими достаточный ресурс работы оборудования.

В ГАНГ им. И.М.Губкина разработан эффективный ме-эд защиты углеродисты:-; и низколегированных сталей от который заключается в нанесении на стальную основу юя алюминия и последующего его упрочения методом мик-здугового оксидирования /МдО/. Такие покрытия отличают-

I

ч повышенной износостойкостью и низкой водопроницаемости в Н Б-средах.

2

В связи с накопленным опытом применения защитных по-:>ытий все большее практическое и научное значение прио-^етают вопросы прогнозирования -защитного действия алю-1ниевы>: и алюминий-оксидных покрытий на коррозионно-ме-

ханическое поведение стали б сероводородсодержащих ср

дах. Создание методики для расчета срока службы бимета

лической -системы ,1сталь-аллюминий" в условия;-: СКР позе

лило бы значительно снизить риск- ас^арийного выхода об

рудования из строя и уменьшить производственные издерж

Цель работы: разработка расчетно-аналитической м

дели влияния алюминиевых покрытий на долговечность бим

к

таллической системы "сталь-алюминий" при СКР.

Для достижения указанной цели были поставлены сл дующие задачи:

1. Разработать модель снижения разрушающих напря* ний в стали при СКР.

2. Разработать диффузионную модель для интерпрет ции влияния алюминиевых покрытий на водородопроница мость биметаллической системы "сталь-алюминий".

3. Выявить влияние масштабного Фактора на кинетик снижения разрушающих напряжений при СКР.

4. Создать методику прогнозирования защитного вли ния алюминиевых покрытий на работоспособность стальны деталей в сероводородосодержащи;-: средах.

Научная новизна

1. Разработана расчетно-аналитическая модель СК стали с алюминиевыми покрытиями, позволяющая определят; допустимые напряжения в детали при проектируемом срок эксплуатации, или время до разрушения при заданных раб чих нагрузках.

2. Впервые для расчета разрушающих напряжений в би-еталлической системе при СКР использованы параметры во-зродопроницаемости.

3. Расчетным путем подтверждено экспериментально Знаруженное явление, что алюминиевые и алюминий-оксид->1е покрытия не влияют на механизм коррозионно-механиче-?ого разрушения стали, изменяя лить кинетику этого про-гсса.

^ГГ)Определено влияние масштабного Фактора на кине-жу СКР деталей из углеродистой стали. Увеличение сече--1Я детали оказывает на коррозионно-механическое поведете стали качественно такое *е влияние, как и увеличение злщины покрытия или дополнительное его оксидирование.

Практическая ценность

1. Разработана методика прогнозирования коррозион-

)~мепанического поведения углеродистых сталей при ста-

гнеских нагрузках в Н Э-средах по параметрам водородо-

А

:>оницаемости мембранных образцов, без проведения длите->ных испытаний на СКР.

2. Разработана методика прогнозирования защитного тияния алюминиевых покрытий на работоспособность сталь-IX деталей в серовояородосодержайих средах.

3. Создана рабочая версия программного средства ж расчета времени до разрушения цилиндрических дета->й при СКР.

Апробация работы. Основные положения работы докл дывались и обсуждались на: научно-технической конфере ции "Мониторинг нефтегазовых сооружений в условиях ко розии", Суздаль, 1993 г.; научно-техническом Совете Ги роНИИнеФтетранс, Волгоград, 1993 г.; объединенном нау ном семинаре кафедры "Металловедения и неметаллически материалов" и кафедры "Сварки и защиты от коррозии 1994 г.

Публикации. По результатам выполненных исследов ний опубликованы три печатные работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состой из введения, четырех глав, выводов, списка «спользова ной литературы из /^¿наименований и приложения. Осно ной материал изложен на /^^""страницах, включая 2? рис нков и б таблиц, приложения на /^страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваем проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, и ложены основные научные и прикладные результаты.

В первой главе излагаются основные проблемы СКР к нструкционных материалов в нефтяной и газовой промышле ности. Дается анализ условий эксплуатации оборудовани для переработки и добычи высокосернистых неФтей и газо а также рассматривается роль СКР в снижении работоспос бности деталей нефтегазового оборудования.

Отмечается, что недостаточные сроки эксплуатации технологического оборудования сероводородосодержащих месторождений Оренбурга, Астрахани, Татарии, Башкирии и ряда неФте- и газоперерабатывающих заводов побуждают к разработке мер для увеличения его долговечности. А большая потребность в надежных методиках для оценки эффективности предлагаемым мер послужила основанием для постановки настоящей работы.

Изложены особенности влияния различных Факторов на чувствительность сталей к СКР. Показано, что среди основных параметров системы "материал-среда", которые определяют коррозионно-механическое поведение металлов в Н^З-средах, одними из наиболее значимых являются диффузионные Факторы, такие, как водородопроницаемость /коэффициент диффузии, дефектность металла/ и геометрические размеры деталей /сечение/.

Представлен анализ существующих методов борьбы с СКР и рассмотрена роль покрытий в общей системе мер по защите конструкционных материалов от коррозионно-механи-чесюого разрушения в наводороживающих средах. Отмечена высокая эффективность применения напыленных алюминиевых и МдО-упроченных покрытий для предотвращения СКР стальных деталей оборудования в нефтяной и газовой промышленности. Согласно результатам лабораторных испытаний, такие покрытия на порядок уменьшают водородопроницаемость стальной основы, что позволяет в несколько раз увеличить

условный предел СКР углеродистой и низколегированной стали.

Рассмотрены существующие подходы к проблеме прогнозирования коррозионно-механнческой стойкости конструкционных материалов. Ввиду сложности Физико-химических явлений, протекающих в разнообразных системах "материал-среда" при СКР, а также статистического характера отдельных свойств формируемых покрытий, обосновывается экспериментально-феноменологический и вероятностный подход к реаеник» вопроса о моделировании защитного влияния алюминиевых покрытий на долговечность стальных деталей в Н^Б-средах.

Вторая глава посвящена изучению закономерностей сероводородного коррозионного растрескивания углеродистой стали. Исследовался защитный эффект напыленных алюминиевых покрытий на коррозионно-механическое поведение стали при статических растягивающих нагрузках в Н Б-средах, а также влияние МДО на кинетику СКР.

Эксперименты проводились на малогабаритной разрывной установке рычажного типа с использованием гладких цилиндрических образцов диаметром рабочей части 3 мм. Для уменьшения погрешности измерений испытывались параллельно шесть образцов и результаты экспериментов подвергались статистической обработке. Условный пр.едел СКР определялся при базовом времени испытаний 720 часов.

В качестве материала основы для образцов была выб-

ана сталь 45, ввиду ее чувствительности к CK Р. Термооб-аботка образцов <закалка с 850 0 С в воде и отпуск при 60 °С> позволила получить сравнительно высокий уровень рочностных cboVictb металла основы / = 1200 МПа,

>02 = 1030 МПа, HRC 34 /, что придало стали повышен-ую чувствительность к СКР. Кроме того, принятый уровень верности близок к твердости злементов нефтегазового борудования: атоков плунжерных насосов, штанг погружных асосов, шиберов задвижек и др., что приблизило оценку ащитного действия покрытий к реальным условиям.

для Формирования покрытий применялся алюминий мари АД-I который наносился на сталь двумя способами: пламенным напылением и электро-дуговой металлизацией. Для прочения покрытий часть образцов подвергалась микроду-овому оксидированию в силикатно-щелочном электролите в нодно-катодном режиме.

Коррозионной средой служил сероводородосодержащий аствор NACE 1 5% NaCl, 0.5% СН^СООН, 2-3 г/л H^S, pH -4 /, принятый в нефтегазовой промышленности для испы-аний на СКР. Такой состав модельной среды соответствует псокой минерализации пластовой воды и высокому содержали) H¿S <до 2 г/л в конденсате и до 6 % в газе) в проду-дии Оренбургского месторождения. Концентрация сероводо-эда контролировалась ежедневно, среду обновляли при чижении этого параметра до 1.6 г/л.

В ходе экспериментов определялись парные значения

"уровень приложенных напряжении - время до разрушены и строились кривые кинетики СКР, рис.1. В диссертаци помимо собственных экспериментальных данных автором б

41

ли использованы результаты исследований СКР ранее пров денные на кафедре "Металловедения и неметаллических м териалов" ГАНГ' им.И.М.Губкина.

Как видно из рис.1, при СКР происходит снижены длительной прочности металлов от до минимальног значения при заданной базе испытаний, что может быт описано уравнением: — КТ

бр = бв-Аб»Ц-е ), /1'

где ^^ - предел прочности металла основы; - время экспозиции; Д0 К- параметры модели, подлежащие определению.

Статистическая обработка экспериментальных данных

помощью ПЭВМ позволила определить Дб^ и К для стали 4

с алюминиевыми и алюминий-оксидными покрытиями (табл.1

■Большинство найденных значений находится в о

ласти (0.8-1.0) , что соответствует величине уело

ного предела СКР буСд ~ (0-0.2) (5^ . Поскольку метал

основы во всех исследуемых случаях был одинаковым Иок? . _ л .

сталь 45 (. ДО^ = 0.У4О$>1 и, исходя из известнь закономерностей ( С^сд0*^ % ) , нами было прин

то / = сог^ = 0.84 .

л о -I

Коэффициент К уменьшался от 1.465*10 час (ста*

,7

,6

.5

Л

.3 -

100 200 300 400 500 время Т, чао

800

Рис.1. Кинетика снижения разрушающих напряжении стали 45 с алюминиевыми металлиоациоиными покрытиями при СКР в растворе NACE: 1 - ёез покрытия;

2-4 - покрытия толщиной 50, 150 и 25и мкм, соответственно;

5-9 - покрытия толщиной 75, 100, 150, 200 и 300

мкм

10-13 - покрытия

оксирировануые на глуьиоу.оО идеи; тия толщиной 115, 150, 'Лю и оОО мкм

IIUK^bllHtl i U(l«innui'l 1 1 , .¿.VV Kl

оксидированные на глубину loo мкм

Таблица 1

N п/п Вид покрытия на образце лб*/б8 К час '-1

1. Без покрытия ; 84 1 .465. 10-2

2. Металлизационное покрытие » 0. 70 9 .846- 10" 4

толщиной 150 мкм X

3. То же, толщиной 250 мкм 1. 00 ^ . 806 • 10~ Л

4

4. Металлизационное покрытие 0. 80 9 . 600 • 10"

толщиной 75 мкм, оксидиро-

ванное на глубину 50 мкм я

5. То же, толщиной 100 мкм 0. 90 5 .724- ю" 4

6. То же, толщиной 150 мкм 1. 00 JL .927- к>

7. i. 00 .755. -А

Металлизационное покрытие 8 10

толщиной 115 мкм, оксидиро-

ванное на глубину 100 мкм

4

г-. W « То же, толщиной 150 мкм 0. 70 2 . 966 • ю"

То же, толщиной 300 мкм 0. 1 .657- -4

9. 80 10

10. Плазменное покрытие 0. 70 1 .155- 10"

толщиной 50 мкм \

4-

11. Плазменное покрытие 1 00 v> .135- 10

толщиной 100 мкм, оксиди-

рованное на глубину 50 мкм

4

12. То же, толщиной 300 мкм 1 00 1 .165- 10*

«а 4

13. Плазменное покрытие 1 00 1 • 1 JLJL . 10

толщиной 135 мкм, оксиди-

рованное на глубину 100 мкм 4

14. То же, толщиной 200 мкм 0. 80 1 .127- 10

Значения параметров ДО* / Oft и К модели СКР для стали 4-5 с алюминиевыми покрытиями.

-4 -1

5 без покрытия) до 1,127-10 час (сталь 45 с пламенным алюминий-оксидным покрытием).

Характер изменения параметров модели в зависимости т наличия и вида покрытия на стали позволил заключить, то и К характеризуют в рамках предложенной моде-

и металл основы и вид покрытия, соответственно. Относи-ельное постоянство может служить подтверждением яв-ения, ранее описанного в работах, проведенных в ГАНГ м. И. М.Г'убкина.

Согласно этим исследованиям, покрытия на стали, в ом числе алюминиевые и алюминий-оксидные, не влияют на еханизм СКР, изменяя лишь кинетику этого процесса. На-лядно это проявляется в том, что все кривые бр симптотически приближаются во времени к одному пределу, авному%;0.16 . Разница заключается только во вре-ени достижения каждой кривой этого предела.

С характером изменения параметров модели А и К огласуются данные ФрактограФически>: исследований. При еизменной общей картине разрушения увеличение толщины окрытия или дополнительно'^ его оксидирование приводило уменьшению доли хрупкой составляющей на поверхности азрушения,что вызвано уменьшением потока Еодоро.да, продающего к металлу основы.

В третьей главе исследуется водородопроницаемость

гальных образцов и влияние алюминиевых покрытии на ки-зтику проникновения водорода в сталь 45 при СКР.

Согласно принятой модели СКР, влияние покрытий н коррозионно-механическое поведение стальной основы хар ктеризуется коэффициентом К, который определяет интенс вность падения разрушающих напряжений во времени. В т же время, как известно,защитную способность покрытий о наводороживания и СКР можно оценить по уровню концентр ции водорода С0 , который устанавливается на поверхно тн раздела сталь-покрытие в процессе коррозии. Предпол гая, что между К и C'a существует корреляция, нами был проведены эксперименты по водородопроницаемости и разр ботана диффузионная модель водородопроницаемости углер диетой стали с алюминиевыми покрытиями, диффузионная n дель позволила описать поведение экспериментальных кр вых проникновения водорода в сталь, получить значения для различных видов и толщины покрытия и установить 2 лирическую зависимость коэффициента К от уровня С0 .

Измерения водородопроницаемости проводились волки* трическим методом на дисковых образцах диаметром 22 с и толщиной 2 мм. Образцы закреплялись в специальной я>-йке и помещались в герметичный сосуд с раствором NAC Объем проникающего водорода Фиксировался дифференциал ным манометром с точностью до 0.01 смЗ.

Эксперименты позволили установить, что покрытия ь влияют качественно на характер изменения потока водо£ да во времени, влияя лишь на количественную сторону щ цесса. Во всех случаях наблюдался "инкубационный nef

Я", когда поток водорода через образцы не Фиксировался, атем наступало резкое увеличение потока от нуля до максимального значения и последующее постепенное снижение отока водорода до некоторого установившегося значения,

ис.2. л /—

Такое поведение кривых 0—1. было интерпрети-

овано в рамках "задачи Стефана" (задачи о фазовом пере-оде) из теории теплопроводности. Согласно зтой модели, ри диффузии водорода под воздействием градиента концен-раций в металле образуется Фронт наводороживания, в ко-ором значение концентрации водорода С^ - величина пос-оянная. Резкое увеличение потока водорода в момент пробоя" объясняется достижением Фронта наводороживания иФФузионной стороны образца, и, как следствие,—скачко-бразным увеличением концентрации водорода на зтой пове-хности от нуля до С* .

После "пробоя" и появления максимального потока во-орода, градиент концентрации начинает уменьшаться и по-ок водорода снижается. Установившийся поток водорода □ответствует минимальному градиенту концентрации, кото-з1Й практически не изменяется во времени.

Движение водорода во Фронте наводороживания можно -пгерпретировать как заполнение различного рода дёФек-эв структуры металла /ловушек/ при диффузии водорода, величину С^ представить как усредненное значение кон-энтрации водорода в этих ловушках, движение фронта на-здороживания осуществляется постепенно по мере заполне-

Рис.2. Кинетические кривые проникновения водорода в сталь 45 с алюминиевыми покрытиями:

1 - без покрытия; 2, 4, 7 - металлизационные покрытия толщиной 50,150 и 250 мкм; 3, £>, 9 - плазменные покрытия толщиной 50,150 и 250 мкм; 8, 11, 1о - плазменные покрытия толщиной 100,20и и 300 мкм, оксидированные на глубину 50 мкм; 5, 10, 12, 14 - плазменные покрытия толщиной 115,135,150 и 200 мкм, оксидированные на глубину 100 мкм.

ния всем стоков водорода в каждом сечении по толщине образца. Величина С представляет собой константу металла основы и зависит от природы металла и его структурного состояния.

Для теоретического анализа полученных данных использовались уравнения Фика

<± С

/ 2 /

d*

Зс -т^ЗС ч /3,

DT

где q - поток водорода через образец, мЗ/м2с; D - коэффициент диффузии, м2/с; С - концентрация водорода, отн.ед.; X - координата сечения по толщине образца, м; Т - время, с.

Решение сформулированной задачи при нулевых начальных условиях искали в &иде Функции С = ), зависящей

)^

от одной безразмерной переменной fi в- . Таким обра-

VFc

зом, , , ч

На входной поверхности образца /на поверхности стали со стороны электролита/ имеет место следующее граничное условие

С| = СЛ / 5 /

| Х=0 0

Во Фронте наводороживания имеем

£ = С = J_ = COnst / 6 /

* V D Т

Совместное решение уравнений /2/ - /ь/ позволило получить выражение для таких параметров диффузионной модели, как а

С "MX PB / ? f

* " h ' рм

где О » О ~ плотности водорода и металла, соответст-JÔ гм

тственно; и

_ sj/d VÔT 6*

С0 = С • <1 + 8 е * • • erf—> f 8 /

Коэффициент диффузии водорода в стали 45 был определен из анализа кривых проникновения водорода по интенсивности снижения потока водорода после момента "пробоя"

-ю

Найденное значение D составляло 2*10 м2/с, что согласуется со справочными данными.

Расчетные значения параметров диффузионной модели представлены в табл.2. Как видно из табл.2 , концентрация С 0 уменьшается с увеличением толщины покрытия <или глубины оксидного слоя). Концентрация водорода во Фронте навод.оро*ивания С^ изменялась в пределах ЦЬ-lu -5

- 2,0-10 отн.ед. независимо от изменения свойств покрытия при среднем значении С^ср = 1.У • 1и отн.ед. С допустимой погрешностью можно принять: С^ = С^ ср = const.

Сопоставление соответствующих значений К и С0 обнаружило статистически значимую связь между этими величинами. Увеличению концентрации водорода на поверхности стали соответствовало увеличение коэффициента К. Для по-

Таблица 2

N п/п Вид покрытия на образце С* 10"5, отн.ед. С0 10"6, отн.ед.

1. Без покрытия 1.976 7 .167

2. Металлизационное покрытие толщиной 150 мкм 1.670 2 .417

3. То же, толщиной 250 мкм 1.909 2 .127

4. Металлизационное покрытие толщиной 75 мкм, оксидированное на глубину 50 мкм 1.789 2 .554

5. То же, толщиной 100 мкм 1.790 2 .238

6. То же, толщиной 150 мкм 2.028 2 .111

7. Металлизационное покрытие толщиной 115 мкм, оксидированное на глубину 100 мкм 1.879 2 .614

8. То же, толщиной 200 мкм 1.789 1 .972

9. Плазменное покрытие толщиной 50 мкм 1.670 2 .615

10. То же, толщиной 250 мкм 1.790 2 .061

И. Плазменное покрытие толщиной 100 мкм, оксидированное на глубину 50 мкм 1.908 2 .127

12. То же, толщиной 300 мкм 1.611 1 .894

13. Плазменное покрытие толщиной 135 мкм, оксидированное на глубину 100 мкм 1.848 1 .966

14. То же, толщиной 200 мкм С* ср 1.700 1,8« Ю""5 1 .889

Концентрации водорода во Фронте наводороживания, С* , и на поверхности раздела сталь-покрытие, Со 1 для стали 45 с различными алюминиевыми покрытиями

дбора эмпирической зависимости К - Собыл применен метод наименьших квадратов. В результате регрессионного анализа выяснилось, что выборка данных может быть описана параболической зависимостью / рис.3 /:

1 -й " 7

К = 723 С - 0.286 С0'Ю - 1,8-10 / 9 /

В ходе экспериментов по СКР, представленных в главе 2, были построены зависимости условного предела СКР при базе 720 часов от вида и толщины покрытия, рис.4. Расчетные кривые этих зависимостей, полученные с помощью Формул /1/, /ь/-/9/ достаточно хорошо согласуются с экспериментальными. Погрешность вычислений условного предела СКР не превышает 6 %. Таким образом, можно заключить, что предложенная в данной работе расчетно-аналитическая модель адекватно описывает процесс СКР и позволяет прогнозировать защитное действие алюминиевых покрытий на сталь в сероводородосодержащих средах по параметрам во-дородопроницаемости: Ятс{Х и Т ■

В главе четвертой исследуется влияние масштабного

Фактора на кинетику СКР углеродистой стали. Разработан-

I

ная диффузионная модель развивается с учетом размеров сечения детали. Получено уравнение движения Фронта наво-дороживания для цилиндрического образца радиусом Р-0 :

<г - ( 1 н к»'с» /к-,/

* \ 4 2 У О-(С -С )

О *

Рис.3. Зависимость коэффициента К от концентрации водорода С на поверхности стали.

1.0

б <5Ь в £ ^ 9 «

0,9 1 6 3 Л |И|

с I

0,8 1/1 У 7 У

0,7 С м / 1 / э

0,6 /

0,5

О 100 200 /? ; «КМ 300

Рис.4. Влияние вида й толщины покрытия на величину условного предела СКР /при базе испытаний 720 ч./:

1,2 - алюминиевые покрытия, нанесенные электродуговой металлизацией и плазменным напылением, соответственно;

3,4 - те же покрытия, оксидированные на глубину 50 мкм;

5,6 - те же покрытия, оксидированные на глубину 100 мкм;

где Х^ ~ время прихода Фронта наводороживания в рассматриваемую точку сечения образца, с;

£ Го(Т)

—— относительная координата Фронта наводорожи-

Яо

вания по сечению образца; - текущий радиус Фронта наводороживания, м.

Расчеты, проведенные с помощью формулы /10/, показывают, что время сквозного наводороживания / =0/ образцов диаметром 3 мм значительно меньше, чем время до разрушения их вследствие СКР. То есть, сквозная диффузия у тонких образцов наступает задолго до разрушения и не может оказывать решающего влияния на кинетику СКР.

С увеличением время сквозной диффузии становится соизмеримым со временем жизни деталей в наводорожива-ющей среде при данном уровне напряжений и коррозионной активности среды. Для определенных соотношений диаметра детали и вида защитного покрытия параметры водородопро-ницаемости и кинетика диффузионных процессов могут стать контролирующими Факторами замедленного разрушения.

Преобразование уравнения /1/ с учетом /10/ позволило получить выражение для интегрального разрушающего напряжения образца радиусом Р<> :

-КТ ш /н. е«л

«г* к^с*Д]Чс0-с*)]

/ 11 /

В ходе работ по определению влияния масштабного фактора на СКР стали с алюминиевыми покрытиями были проведены эксперименты по СКР образцов диаметром 10 мм. Испытания* проводились на разрывной установке рычажного типа ИМ-12А, обеспечивающей требуемый уровень разрушающих напряжений / = 12 т / для образцов такого диа-

метра.

Согласно экспериментам, разница во времени до разрушения при одинаковых уровнях приложенных напряжений составляла от нескольких часов до нескольких суток, но во всех исследуемых случаях наблюдалось увеличение времени до разрушения при увеличении диаметра образца.

Результаты испытаний, а также расчетные кривые снижения разрушающих напряжений во времени, полученные с помощью уравнений /11/-г/12/, приведены на рис.5. Как видно из рисунка, влияние масштабного фактора на СКР имеет качественно такой же характер, как и влияние защитных покрытий. С увеличением сечения детали увеличивается инкубационный период до начала падения разрушающих напряжений металла основы и кривые ^р —1Г сдвигаются вправо по оси времени.

В качестве иллюстрации влияния масштабного фактора на рис.5 приведены кривые движения Фронта наводорожива-ния по сечению образцов, построенные с помощью Формулы /10/. Характер поведения кривых позволяет объя-

снить,¿каким оьразом размеры сечения влияют на кинетику

Время ^ , час.

^ис-5. Влияние масштабного Фактора на кинетику СКР стали 45 с покрытиями:

.,2,3 - кривые снижения разрушающих напряжений для образцов без покрытия диаметром 3, 10, 50 мм;

1,5,6 - то же, для образцов с алюминиевыми покрытиями толщиной 150 мкм;

',8,9 — кривые движения Фронта наводорожива-ния по сечению образцов диаметром 3, 10, 50 мм без покрытия;

0,11,12 — то же, для образцов с алюминиевыми покрытиями толщиной 150 мкм;

.диффузионных процессов,' изменяя тем самым коррозионно механическое поведение стальной основы.

На основе проведенных экспериментов и предложенной расчетно-аналитическай модели была разработана методика прогнозирования защитного влияния алюминиевых покрытий на долговечность стальных деталей при СКР и рабочая вер сия программного средства для расчета времени до разрушения цилиндрических деталей в Н^Б-средах.

Предложенная методика и рабочая версия программного средства были' рассмотрены научно-техническим Советом ин ститута Г'ипроНИИнефтетранс /г.Волгоград/ и рекомендова ны к использованию при проектировании элементов оборудования для транспорта и хранения сернистых неФтей и неф тепродуктов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена модель защитного влияния алюминиевых

покрытий на коррооионно-механическое поведение углероди

стой стали при СКР, которая позволяет прогнозировать по

к

параметрам годородопроницаемости разрушающие напряжения в зависимости от требуемого времени работы детали, и на оборот, время до разрушения при заданных рабочих нагруз ках.

2. Проведенными расчетами показано, что все кривые асимптотически приближаются во времени к услов

ному пределу СКР металла основы. Алюминиевые покрытия увеличивают время, необходимое для достижения этого пре

дела, а также длительность "инкубационного периода" до начала падения разрушающих напряжений. Таким образом, аналитически подтверждено экспериментально обнаруженное явление, что покрытия стали не влияют на механизм корро-зионно-механического разрушения стальной основы, изменяя лишь кинетику СКР.

3. Обнаружена корреляция между концентрацией Сс на поверхности стали и коэффициентом модели К , которая может быть описана параболической зависимостью. Зависимость К-С0. указывает на наличие минимальной концентрации водорода С'о , ниже которой СКР не происходит.

4. Определено влияние масштабного Фактора на кинетику СКР деталей из углеродистой стали. Увеличение сечения деталей- оказывает на коррозионно-механическое поведение стали качественно такое же влияние, как и увеличение толщины покрытия или дополнительное его оксидирование .

5. На основе предложенной расчетно-аналитической модели СКР биметаллической системы сталь-алюминий разработана методика прогнозирования защитного влияния алюминиевых покрытий на долговечность стальных деталей при СКР. Создана рабочая программа для расчета времени до разрушения цилиндрических деталей б Н^Б-средах.

ь. Разработанная методика и рабочая версия програм-ного средства приняты к использованию в ГипроНИИнеФте-транс /г.Волгоград/ при проектировании элементов нефтяного оборудования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Саакиян 71.С., Ефремов А.П., Сенкевич О.В. Уменьшение водородопроницаемости стальных деталей с помощью оксидированных алюминиевых покрытий / Гос. акад. нефти и газа. - М., 1993-9 е., Рус.: ил.-Виблиогр. 7 назв. -Деп. в ВИНИТИ 12.05.93, N 1250-1393.

2. Саакиян Л.С., Ефремов А.П., Сенкевич О.В. Модель электролитического наводороживания и способ прогнозирования длительной прочности низколегированных сталей в сероводородсодержащих средах // Нефтяная промышленность. Экспресс-информация. Сер. "Защита от коррозии и охрана окружающей среды".- М.: ВНИИОЗНГ, 1993. - Вып.7,- с.1-8.

3. Саакиян Л.С., Ефремов А.П., Сенкевич О.В. Метод прогнозирования длительной прочности низколегированных сталей с алюминиевыми покрытиями в сероводородосодержа-щих средах // Тез. докл. к конференции "Мониторинг нефтегазового оборудования". - Суздаль, 1993. - с.40.