О контроле состояния конструктивных элементов по степени диффузии водорода

УДК 620.179.17

О КОНТРОЛЕ СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПО СТЕПЕНИ ДИФФУЗИИ ВОДОРОДА

КАЛЮЖНЫЙ Д. Г., БУРНЫШЕВ И. Н.

Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

АННОТАЦИЯ. Исследована возможность контроля диффузионного потока водорода через стенку трубопровода. Водород, диффундирующий через стенку, накапливается в полости кюветы. Концентрация водорода в полости кюветы и его накопление происходит постепенно, что позволяет проводить анализ в реальном масштабе времени. Проведены исследования диффузии водорода через сварной шов. Осуществлен контроль процесса насыщения металла трубопровода водородом, предложено определение остаточного ресурса металла в процессе его эксплуатации в реальном масштабе времени.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: диффузный водород, наводороживание, водородопроницаемость, мембрана, трубопровод, резервуар.

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы хранения, обработки и транспортировки водорода и водородосодержащих продуктов связаны с необходимостью оценки состояния конструктивных элементов, контактирующих с водородосодержащей средой. Например, эксплуатация трубопроводного транспорта углеводородов связана с постепенным снижением прочностных характеристик конструкционных сплавов в результате диффузии водорода. Атом водорода, несущий только один электрон, является самой легкой примесью внедрения. Это вызывает насыщение металла водородом, что в свою очередь приводит к снижению его пластических свойств -водородному охрупчиванию, появлению раковин и трещин, и последующему быстрому разрушению конструктивных элементов. Проблема еще более усложняется в атомной энергетике. Водород и его изотопы, как продукты ядерных реакций, оказывают воздействие на элементы конструкций в поле действия ядерных реакций. Это ведет к изменению физико-химических свойств сплавов и росту их водородопроницаемости. Водород накапливается в металле уже в процессе его выплавки и последующей обработки. В трибосопряжениях в процессе трения, водород выделяется из материала смазки. Воздействие газовой или жидкой водородосодержащей среды так же способствует накоплению водорода в металле [1].

Водород может проникать в металл и растворяться в нем даже при комнатных температурах, хотя и в небольших количествах. При повышении температуры, растворимость его резко возрастает, особенно при переходе металла в жидкое состояние. Так повышенное содержание водорода наблюдается в сварных швах. Он может попадать в металл из водяных паров окружающего воздуха, из влаги на поверхности свариваемых элементов, из покрытий. Количество водорода в металле сварного шва и прилегающей к нему зоне определяется видом и условиями сварки, применяемыми материалами и др.

При сварке электродами допустимое содержание водорода до 15 см /100 г - в металле шва и до 25 см3 /100 г - в наплавленном металле (согласно ГОСТ 23338-91 Сварка металлов).

В тепловых двигателях происходит износ не только в результате механического взаимодействия между трущимися элементами, но и вследствие присутствия в топливе водородной составляющей. В частности в поршневых двигателях внутреннего сгорания одной из составляющих износа поршневых колец и зеркала цилиндров является воздействие атомарного водорода [2].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В свободном виде водород существует как двухатомная молекула. На поверхности металла молекула распадается на отдельные атомы, которые поглощаются поверхностью металла, поскольку в атомарном состоянии водород испытывает минимальное сопротивление со стороны металла.

Водород в поперечном сечении образца распределяется неравномерно [3]. Наибольшее содержание его в приповерхностном слое металла. Скопления водорода образуются по границам зерен, в порах и трещинах, создавая большие давления. Однако при одностороннем действии водородосодержащей среды, например, в материале стенки газопровода, через определенный промежуток временем, в зависимости от состава сплава, давления, температуры, толщины слоя металла и других факторов водород появляется и на обратной стороне.

Так при перекачивании газа потери через стенку трубы 1420*20 мм при давлении Р = 75 бар (Т = 80 °С) и скорости транспортировки V = 10 м/с составляют 0,25-10"10 %. Величина потока водорода через единичную площадь 1 см существенно зависит от температуры и давления водорода и при температуре 40 °С и давлении водорода 10 бар составляет 0,736-10"3 мл/(см2-ч) [4].

Для воздухонезависимой энергоустановки подводной лодки при хранении водорода под давлением 40 МПа при температуре 20 °С в баллоне из титанового сплава ВТ20Л длиной

9 2

1274 мм, диаметром 200 мм коэффициент диффузии составляет 1,42-10" см /с. Количество водорода, теряемое в результате диффузии через стенки баллона за 15 суток, рассчитанное по предлагаемой методике, составит 0,5 г [5].

Таким образом, диффузию водорода можно рассматривать не только как фактор для учета потерь газа, но и как эффективный способ контроля состояния металлов и сплавов. Оценить состояние металла, возможно осуществляя контроль потока водорода, прошедшего через металл в реальном масштабе времени.

Процесс проникновения водорода сквозь металлическую мембрану делится на несколько этапов - адсорбция, растворение, диффузия в металл, выход на поверхность и десорбция [6]. Величина потока водорода при этом может быть представлена следующим выражением:

§ЧР1- Р2) а/Б

где р1 и р2 - давления на входной и выходной сторонах мембраны соответственно, с1 - толщина мембраны, Б - коэффициент диффузии, £н - константа скорости поступления водорода в металл из газовой фазы, £ - константа скорости выделения водорода из металла в газовую фазу [7, 8].

Стенка резервуара для хранения водорода или труба газопровода являются, по сути, толстыми мембранами. С одной стороны на такую мембрану оказывает воздействие водородосодержащая среда при повышенном давлении. В результате возникает поток диффундирующего через стенку трубопровода водорода. По концентрации водорода в металле и величине диффузии можно судить о степени охрупчивания металла в процессе эксплуатации конструктивных элементов [9]. Регистрируя поток водорода на обратной стороне мембраны, по предварительно проведенным испытаниям образца данной марки сплава, можно сделать вывод о концентрации водорода в образце, постепенном снижении его механических свойств и о возможности продолжения эксплуатации конструктивного элемента или необходимости его замены.

Контроль осуществляется следующим образом. На стенке контролируемого резервуара установлена кювета, в виде полого стакана (рис. 1). Открытая сторона кюветы направлена к стенке резервуара и прижимается к ней через герметизирующую прокладку.

Рис. 1. Вид кюветы для сбора диффундирующей газовой смеси

Водород, диффундирующий через стенку резервуара, скапливается в полости кюветы. Через кювету проходит поток несущего газа. Газовая смесь, содержащая водород, доставляется в систему регистрации. Концентрация водорода в полости кюветы и его накопление до необходимого для количественной оценки значения происходит постепенно. Это позволяет проводить анализ в реальном масштабе времени.

На рис. 2 представлены графики скорости диффузии водорода через металлические мембраны толщиной 2 мм из стали 13Г1С. Кривая 1 для образца из стенки трубы. Кривая 2 для образца с участком сварного шва. График диффузии (2) через сварной шов несколько отличается от графика (1), характеризующего процесс диффузии через стенку трубы. Для эксперимента был выбран участок трубы с продольным сварным швом.

СО

£ 2

•е

к

«

е

о о а

о 1 « 1

о

50

100 150

время, мин

200

250

4

3

0

0

Рис. 2. Скорость диффузии водорода через образцы стали 13Г1С толщиной 2 мм

Производство сварных труб осуществляется различными способами сварки: печным, в защитном газе, электросваркой [10]. Температура свариваемых кромок металла в процессе обработки может превышать 1500 °С. При дуговой сварке температура в зоне дуги достигает 3600 °С. Особенностью получения труб при этом является неравномерное распределение температуры по сечению полосы. Кромки должны иметь достаточно высокую температуру, для обеспечения качественного сварного шва. С другой стороны, более низкая температура средней части позволяет сохранить необходимую прочность для надежной транспортировки металла в процессе сварки и формовки. Неравномерный нагрев, и процесс редуцирования (обжатия стенок) после операции сварки неизбежно приводят к изменению структуры металла. А это в свою очередь оказывает влияние на протекание диффузионных процессов в различных участках стенок трубопроводов.

ВЫВОДЫ

Таким образом, осуществляется контроль процесса насыщения металла трубопровода водородом, косвенное определение остаточного ресурса металла в процессе его эксплуатации в реальном масштабе времени.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Яковлев Ю. А. Параметрическая неустойчивость материалов, накапливающих водород, при циклическом механическом нагружении // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. № 4-4. С. 1890-1891.

2. Шалыгин М. Г., Ермаков Д. С. Диффузия атомарного водорода в кристаллическую решетку поршневых колец двигателей внутреннего сгорания // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 4-2. С. 281-284.

3. Schober T. Electronic Structure and Properties of Hydrogen in Metals // Proceedings of a NATO International Symposium on the Electronic Structure and Properties of Hydrogen in Metals. March 4-6, 1982, Richmond, Virginia. N-Y.: Plenum Press, 1983, pp. 1-10.

4. Махненко В. И., Олейник О. И., Пальцевич А. П. Поведение водорода при ремонтной сварке магистральных трубопроводов под давлением // Автоматическая сварка. 2011. № 9. С. 5-12.

5. Алексин Е. Н. Хранение газообразного водорода в баллонах под давлением. Определение потерь водорода вследствие диффузии через стенки баллона // Перспективы науки. 2010. № 6(8). С. 63-70.

6. Арчаков Ю. И. Водородная коррозия стали. М.: Металлургия, 1985. 192 с.

7. Витязь П. А., Панин В. Е., Белый А. В., Колубаев А. В. Механика пластической деформации и разрушения поверхностно упрочненных твердых тел в условиях трения // Физическая мезомеханика. 2002. T. 5, № 1. С. 15-28.

8. Кунин Л. Л., Головин А. М., Суровой Ю. Н., Хохрин В. М. Проблемы дегазации металлов (феноменологическая теория) / под ред. А.П. Виноградова. М.: Наука, 1972. 327 с.

9. Поляков В. Н. Катастрофы трубопроводов большого диаметра. Роль полей водорода // Проблемы прочности. 1995. № 1. C. 137-146.

10. Виноградов В. С. Технологическая подготовка производства сварных конструкций в машиностроении. М.: Машиностроение. 1981. 224 с.

ON THE CONTROL OF THE STATE OF CONSTRUCTIVE ELEMENTS DEGREES DIFFUSION OF HYDROGEN

Kalyuzhny D. G., Burnyshev I. N.

Udmurt Federal Research Center, Ural Brunch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia

SUMMARY. The possibility of controlling the diffusion flow of hydrogen through the pipeline wall is studied. Saturation of the metal with hydrogen leads to a decrease in its plastic properties, hydrogen embrittlement, the appearance of shells and cracks, and the rapid destruction of structural elements. Hydrogen in the cross section of the sample is distributed unevenly. The greatest content of it in the near-surface layer of metal. When the hydrogen-containing medium acts unilaterally, for example, in the material of the gas pipeline wall, after a certain period of time, depending on various factors, hydrogen appears on the reverse side. In this case, the diffusion of hydrogen can be considered not only as a factor for accounting for gas losses, but also as an effective way to control the state of metals

and alloys. Assess the state of the metal, possibly by monitoring the flow of hydrogen that has passed through the metal in real time. By recording the flow of hydrogen on the back side of the wall, it can be concluded that the hydrogen concentration in the sample, the gradual decrease in its mechanical properties and the possibility of continuing the operation of the structural element or the need for its replacement. A cuvette is installed on the wall of the monitored tank. Hydrogen, diffusing through the wall, accumulates in the cavity of the cuvette. The concentration of hydrogen in the cuvette cavity and its accumulation is gradual, which allows real-time analysis. Studies of hydrogen diffusion through a welded seam have been carried out. The process of saturation of the pipeline metal with hydrogen was monitored, it was proposed to determine the residual metal resource during its operation in real time.

KEYWORDS: diffuse hydrogen, hydrogenation, hydrogen permeability, membrane, pipeline, reservoir.

REFERENCES

1. Yakovlev Yu. A. Parametricheskaya neustojchivost materialov nakaplivayushchih vodorod pri ciklicheskom mekhanicheskom nagruzhenii [Parametric instability of materials accumulating hydrogen under cyclic mechanical loading]. Vestnik nizhegorodskogo universiteta im. N.I. Lobachevskogo [Vestnik of Lobachevsky University of Nizhni Novgorod]. 2011, no. 4-4, pp. 1890-1891.

2. Shalygin M. G., Ermakov D. S. Diffuziya atomarnogo vodoroda v kristallicheskuyu reshetku porshnevyh kolec dvigatelej vnutrennego sgoraniya [Diffusion of atomic hydrogen into the crystal lattice of the piston rings of internal combustion engines]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii [Modern high technologies]. 2016, no. 4-2, pp. 281-284.

3. Schober T. Electronic Structure and Properties of Hydrogen in Metals. Proceedings of a NATO International Symposium on the Electronic Structure and Properties of Hydrogen in Metals. March 4-6, 1982, Richmond, Virginia. N-Y.: Plenum Press, 1983, pp. 1-10. doi: 10.1007/978-1-4684-7630-9

4. Makhnenko V. I., Olejnik O. I., Paltsevich A. P. Hydrogen behavior in repair welding of the main pipelines under pressure. The Paton Welding Journal, 2011, no. 9, pp. 2-9.

5. Aleksin E. N. Hranenie gazoobraznogo vodoroda v ballonah pod davleniem. Opredelenie poter vodoroda vsledstvie diffuzii cherez stenki ballona [Storage of Hydrogen Gas in Compressed Cylinders. Measuring Hydrogen Losses Caused by Diffusion through Cylinder Walls]. Perspektivy nauki [Prospects of Science], 2010, no. 6(8), pp. 63-70.

6. Archakov Yu. I. Vodorodnaya korroziya stali [Hydrogen corrosion of steel]. Moscow: Metallurgiya Pabl., 1985. 192 p.

7. Vityaz P. A., Panin V. E., Byeli A. V., Kolubaev A. V. Mechanics of plastic deformation and fracture of surface-hardened solids in friction. PhysicalMesomechanics, 2002, vol. 5, no. 1, pp. 15-26.

8. Kunin L. L. Golovin A. M. Surovoj Yu. N., Hohrin V. M. Problemy degazacii metallov (fenomenologicheskaya teoriya) [Problems of metal degassing (phenomenological theory)]. Moscow: Nauka Pabl., 1972. 327 p.

9. Polyakov V. N. Catastrophes of large diameter pipelines. The role of hydrogen fields. Strength of Materials, 1995, vol. 27, no. 1, pp. 96-103. https://doi.org/10.1007/BF02206418

10. Vinogradov V. S. Tekhnologicheskaya podgotovka proizvodstva svarnyh konstrukcij v mashinostroenii [Technological preparation of production of welded structures in mechanical engineering]. Moscow: Mashinostroenie Pabl., 1981. 224 p.

Калюжный Дмитрий Геннадьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, тел. (3412) 216611, e-mail: dikdik@mail. ru

Бурнышев Иван Николаевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, тел. (3412) 216611, e-mail: iburn@mail. ru