Разработка справочной информационной системы для оценки химической стойкости нержавеющих сталей

УДК 620.193:51

Р. Ф. Тазиева, С. С. Виноградова, Н. А. Кузнецова

РАЗРАБОТКА СПРАВОЧНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

Ключевые слова: нержавеющая сталь, химическая стойкость, коррозия, справочная информационная система.

Рассмотрены вопросы химической стойкости нержавеющих сталей. Приведено описание базы данных, содержащей справочный материал о свойствах нержавеющих сталей, видах коррозионных разрушений, которым они подвергаются, областях их применения; а также описание справочной информационной системы для проведения сравнительного анализа поведения нержавеющих сталей в различных условиях эксплуатации.

Keywords: stainless steel, chemical resistance, corrosion, reference information system.

The aspects of stainless steel chemical resistance are considered. The database contains the reference material on stainless steels properties, types of corrosion attacks the stainless steel are exposed to, the fields of application the stainless steels are used for. The ways of comparative analysis for the stainless steels behavior under various conditions with using reference information system are shown as well.

Важнейшим понятием теории коррозии является коррозионная стойкость металлов, которая характеризует способность металла или сплава сопротивляться коррозионному воздействию среды и определенным видам коррозионных разрушений.

Наиболее действенным способом повышения работоспособности оборудования эксплуатируемого в агрессивных средах является применение специальных коррозионно-стойких материалов. В промышленности для этих целей используют легированные стали. Они устойчивы к общей коррозии, однако склонны к различным видам локальной коррозии, таким как питтинговая, межкристаллитная, щелевая [1]. Скорость развития локальной коррозии может быть настолько высока, что сквозная перфорация стенок оборудования происходит через 6-8 месяцев после начала эксплуатации [2].

Коррозионная стойкость нержавеющих сталей зависит от большого числа, как внутренних факторов коррозионной системы, связанных с природой, составом сплава, его структурой и состоянием поверхности, так и внешних факторов и, прежде всего, от состава раствора, температуры и движения среды.

В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, описывающий результаты исследований различных аспектов коррозионных разрушений в отдельных отраслях промышленности. Однако практика накопления экспериментальных данных по коррозии в отдельных областях не позволяет целостно использовать полученные данные. Поэтому возникает практическая потребность в создании справочных информационных баз данных, предназначенных для накопления и эффективного использования данных по коррозионной стойкости металлических материалов.

Разработка информационно-справочных систем по коррозионной стойкости металлов началась в середине 90-х годов. На данный момент существует большое количество иностранных систем, однако большинство из них не является коммерческим продуктом, и поэтому доступ к ним закрыт. Предлагаемые к продаже программные продукты коррозии ориентированы на руководящие и нормативные документы других стран. Их использование затрудне-

но различием химического состава и свойств используемых конструкционных материалов, специализированным назначением и высокой стоимостью [3].

Цель данной работы заключается в разработке справочной информационной системы для оценки химической стойкости нержавеющих сталей для получения количественной информации о влиянии различных факторов на коррозионный процесс.

В разрабатываемой справочной информационной системе приведены сведения о химической стойкости нержавеющих сталей в различных коррозионных средах и условиях эксплуатации. Преимущественно в системе представлены данных о коррозии сталей при получении и переработке промышленно важных сред [4]. Источником информации являлись открытые литературные данных, приведенных в справочниках и учебниках, содержащих результаты коррозионных исследований[4-6].

Справочная информационная система представляет собой диалоговое многооконное приложение, разработанное с применением технологий Microsoft.NET и Microsoft Visual Studio. В качестве языка программирования выбран объектно-ориентированный язык программирования С#. Для хранения, обработки и обращения к данным использовали высокопроизводительную СУБД Microsoft SQL Server.

При разработке справочной информационной системы решались следующие задачи:

1) обеспечение взаимодействия управляющих форм приложения с соответствующими таблицами базы данных (открытие и закрытие форм, передача управления);

2) обеспечение работы с данными в соответствии с требованиями пользователя (отображение, ввод, редактирование, удаление данных);

3) контроль допустимых значений данных.

Разработанная реляционная база данных представляет собой совокупность таблиц со связанными полями. Во избежание дублирования и избыточности данных в ее структуре использован способ задания связей «один-ко-многим». Согласно выбранной в данной работе предметной области в базу данных

добавлено девять таблиц: "Основные свойства стали", "Влияние нагрева в техническом водороде", "Влияние температуры и давления водорода", "Ограничения по применению цветных металлов", "Влияние концентрации хлоридов на скорость коррозионного растрескивания сталей", "Влияние среды и напряжений на время до растрескивания сталей", "Межкристаллитная коррозия нержавеющих", "Механические свойства сталей на тетраоксиде диа-зота ". Каждая таблица соответствует одной из форм приложения, в которых просмотр содержимого базы данных осуществляется с помощью компонента datagridview.

Информация в справочно-информационной системе сгруппирована в четыре раздела. В первом разделе приведены данные о химической стойкости нержавеющих сталей в различных эксплуатируемых средах. Так как основной акцент при разработке информационной системы сделан на вид коррозионного разрушения, которому подвергается нержавеющая сталь в определенных условиях эксплуатации, поэтому три основных раздела содержат данные о водородном охрупчивании, коррозионном растрескивании и межкристаллитной коррозии (рисЛ).

Рис. 1 - Главное окно справочной информационной системы

В первом разделе обобщен материал, включающий различные марки нержавеющей стали, составы коррозионных сред, температуры и давления, при котором эксплуатируется оборудования. В качестве критерия оценки коррозионной стойкости приводятся сведения о глубинном показателе коррозии, характеризующем максимальную глубину коррозионного разрушения. Для оценки коррозионного эффекта от воздействия агрессивной среды в системе выбрана общепринятая десятибалльной шкала коррозионной стойкости, согласно которой нержавеющие стали можно отнести к одной из групп: совершенно стойкие, весьма стойкие, стойкие, понижен-ностойкие, малостойкие, нестойкие.

Справочная информационная система позволяет, проводит сортировку информации по марке стали, типу коррозионной среды, баллу стойкости и по виду коррозионного разрушения для сравнения и выбора марок стали с требуемой коррозионной стойкостью в разных условиях эксплуатации (рис.2).

Рис. 2 - Окно раздела «Химическая стойкость сталей»

В ряде случаев для правильного выбора материала аппаратуры характеристик приведенных в первом разделе является недостаточным, особенно когда компоненты среды, насыщая объем или поверхность металла, оказывают значительное влияние на его механические свойства.

В средах содержащих водород, скорость коррозии часто близка к нулю, но прочность металла может резко снизится в результате внедрения водорода в кристаллическую решетку, что вызывает водородное охрупчивание (потерю пластичности) и может привести к внезапному растрескиванию (водородное растрескивание) напряженных высокопрочных сплавов [7]. Растворимость водорода в металле зависит от многих факторов, таких как уровень и концентрация напряжений, режим термообработки, парциальное давление водорода, температура.

Во втором разделе приведены данные о влиянии нагрева в техническом водороде на механические свойства сталей, а также влиянии температуры и давлении водорода на длительность безопасной эксплуатации оборудования, на примере стали 20 и 30ХМА.

Основными механическими свойствами являются сталей прочность (предел прочности), пластичность (относительное удлинение, относительное сужение), текучесть (условный предел текучести) и твердость. На основе которых можно обоснованно выбрать соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций.

Справочная информационная система позволяет, проводит сортировку по марке стали в зависимости от условий наводораживания (давление, температура, длительность) для сравнения и выбора марок стали с требуемыми механическими свойствами.

В хлоридных и щелочных средах коррозионные потери не всегда характеризуют его работоспособность - при определенных условиях эксплуатации возможно растрескивание металла, зависящее от множества факторов, таких как уровень напряжений, присутствие окислительных примесей в среде, наличие ватерлинии, состояние металла.

В третьем разделе систематизированы данные о коррозионном растрескивании сталей под действием щелочных сред. С использованием справочной информационной системы можно оценить влияние концентрации хлоридов и других щелочных сред на время до коррозионного разрушения различных марок стали (рис.3).

¡пн» ипцемрнм [ЛфЧЛОе на (ttpocib «Донншо fucifHtHBjuiHCmieii

Г"™ Q 1 — Ъя* К 303W* < *

на 41

-- а »

н 1 имя

а б JCC

"да*.¡f чс Л 4Л

1» I «и

Wis«-« » к м

в к

IS и 1

.л« . _ . *

< 1

щ

Рис. 3 - Окно раздела «коррозионное растрескивание»

Одним из важных недостатков нержавеющих сталей является их склонность к межкристаллитной коррозии, которой стали подвергаются только при определенном сочетании внешних и внутренних факторов. Этот тип разрушения очень опасен, так как вызывает большую потерю прочности конструкции, часто без заметного изменения внешнего вида [8].

В четвертом разделе приведены данные о механических свойствах металлов в теплоносителях на основе тетраоксида диазота. Информационная система позволяет выявить наличие или отсутствие межкристаллитной коррозии различных сплавов в зависимости от давления, температуры и длительности испытаний, а также их механические свойства (пределы текучести и прочности, относительное удлинение) в данной среде.

В каждом разделе справочный информационной системы содержится дополнительный справочный материал о перечне сталей, чьи коррозионные характеристики рассматриваются (краткие сведения о технологических свойствах и назначении сталей), подробный теоретический материал о причинах и специфике различных видов коррозионных разрушений, данные об ограничении по применению цветных металлов в технических средах и т.д.

Заключение

Разработана информационная справочная система позволяющая:

- изучать химическую стойкость сталей с использованием системы оценок коррозионной стойкости (скорость коррозии, группы, баллы стойкости) и

© Р. Ф. Тазиева - канд. техн. наук, старший преподаватель каф. ИПМ КНИТУ, ram89_89@mail.ru; С. С. Виноградова -канд. техн. наук, доц. каф. технологии электрохимических производств КНИТУ, vsvet@kstu.ru; Н. А. Кузнецова - студент каф. ИПМ КНИТУ, kna-94@mail.ru.

© R. F. Tazieva - PhD, Senior Lecturer of Information Systems and Applied Mathematics Department of KNRTU, ram89_89@mail.ru; S. S. Vinogradova - PhD, Associate Professor of Electrochemical Engineering Department of KNRTU, vsvet@kstu.ru; N. A. Kusnetzova - graduate student of Information Systems and Applied Mathematics Department of KNRTU, kna-94@mail.ru.

делать выводы о стоикости и механизме разрушения;

- исследовать коррозионные своИства сталеИ в конкретноИ агрессивной среде при различных концентрациях и температурах и выявлять стали, имеющие наилучшие показатели стойкости;

- проводить сравнительныИ анализ коррозионных своИств сталеИ в конкретноИ агрессивноИ среде при различных концентрациях и температурах;

- определять назначение и области применения заданной стали.

Процесс создания информационной справочной системы является достаточно длительным, и представленный в данной статье вариант является начальной версией системы и требует дальнейшей доработки, но уже на данном этапе система может выступать в качестве программного продукта, предназначенного для выбора коррозионно-стойких материалов в зависимости от предъявляемых требований.

Литература

1. Ковалюк Е.Н. Изучение питтинговой и межкристаллитной коррозии сталей 12Х15Г9НД и 12Х18Н10Т / Е.Н. Ковалюк, М.А. Горевая, В.П. Тумурова // Коррозия: материалы, защита. - М., 2014. - №7. - С. 27-31.

2. Реформацкая И.И. Электрохимический шум как характеристика склонности углеродистых сталей к питтинговой и язвенной коррозии / И.И. Реформацкая, А.Н. Подобаев, О.Ю. Артамонов, В.Д. Чибышева // Вестник ТГУ. - Томск, 2013.- Т. 18. - С. 2317-2318.

3. Таранцева К.Р. Прогнозирование питтиновой коррозии нержавеющих сталей в химико-фарамацевтических производствах: дис. ... д-ра тех. наук / Пенз. гос. технол. ун-т; К.Р.Таранцева. - Пенза, 2004. - 439 с.

4. Сухотин А.М. Химическое сопротивление материалов: Справочник / А.М. Сухотин, В.С. Зотников. - Л.: Химия, 1975. - 408 с.

5. Туфанов Д.Г. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей и чистых металлов: Справочник. - М.: Металлургия, 1990. - 320 с.

6. Клинов И.Я. Коррозия химической аппаратуры и кор-розионностойкие материалы. - М.: Машиностроение, 1967. -468 с.

7. Улиг Г.Г. Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: пер. с англ. / Под ред. А.М. Сухотина - Л.: Химия, 1989. - Пер. изд., США, 1985. - 456 с.

8. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов / Н.Д. Томашов. - М., 1959. -592 с.