СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ В ГАЛОГЕНОСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ
METHOD OF PREDICTING RESISTANCE OF ARTICLES MADE FROM NICKEL-CHROMIUM STAINLESS STEEL IN HALOGEN-CONTAINING MEDIA

Изобретение относится к области коррозионных испытаний прогнозирования развития питтинговой коррозии.
Известно, что изделия из нержавеющих хромоникелевых сталей, работающие в галогеносодержащих средах, выходят из строя чаще всего из-за локальной питтинговой коррозии. Для прогнозирования ресурса работы изделий применяются методы практического мониторинга глубины локальных поражений [1], а также расчетные методы, базирующиеся на известном выражении для роста питтинга в глубину [2]:
i
i
1
1
2
2
n-1
n-1
n
n
Константы К и В находятся следующим образом. Вначале замеряют глубину питтинга h в отдельные моменты времени τ и получают совокупность значений h(τ), h(τ), …, h(τ), h(τ). Далее, аппроксимируя эту совокупность степенной функцией, с помощью какого-либо метода (например, методом наименьших квадратов) находят искомые параметры модели (1). Таким образом, при анализе закона роста питтинга основной операцией является многократный замер глубины локальных поражений, что связано с большими затратами времени и применением сложного оборудования.
Известен также способ оценивания параметров закона роста питтинга [3], при котором регистрируют токи поляризации при электрохимической коррозии образца и на их основании оценивают усредненную глубину образующихся питтингов. Этот способ требует сложного оборудования, однако усредненная оценка глубины питтингов при заданном сроке эксплуатации изделия является весьма приближенной оценкой и не позволяет с достаточной точностью определить ресурс его работы.
В коррозионных исследованиях наиболее часто используют следующие основные способы измерения глубины питтинга: по профилограмме; по поперечном темплету (сечению) образца; последовательной сошлифовкой слоев металла до полного исчезновения питтингов; с помощью оптического микроскопа методом двойной фокусировки (на поверхность образца и на дно питтинга)
Преимущество метода профилографирования - возможность получения в увеличенном масштабе профиля внутренней поверхности питтинга, недостаток - погрешность определения глубины питтинга из-за фиксированного радиуса щупа, сложность настройки и высокая стоимость прибора.
Изучение поперечного сечения питтинга на шлифе дает детальную информацию о его форме и глубине. Однако изготовление подобного шлифа - сложная и длительная операция, требующая высокой квалификации персонала. В случае вытянутых конусообразных питтингов весьма сложно получить шлиф, проходящий именно через вершину питтинга. Следствием этого является значительная погрешность измерений.
Последовательная механическая сошлифовка слоев металла (например, по 0,01 мм) с пораженной поверхности позволяет получить статистическую информацию о распределении образовавшихся питтингов по глубине и уверенно выделить наиболее глубокий питтинг. Однако данный метод отличается необходимостью применения точного и сложного оборудования, его проведение связано со значительными затратами времени и большим числом последовательных измерений.
При использовании метода двойной фокусировки после окончания периода экспонирования электрод вынимают из раствора, вскрывают крышечки питтингов и замеряют глубину образовавшихся локальных поражений. Для получения параметров модели необходимо получить минимум два замера глубины питтинга; в практике лабораторных исследований делают, как правило, пять и более замеров. Необходимость проведения нескольких экспериментов многократно повышает трудоемкость и стоимость исследования.
В предлагаемом способе ресурс работы изделия из хромоникелевых сталей в галогеносодержащих средах рассчитывается по эквивалентному диаметру пятна наибольшего питтинга, обнаруженного на поверхности образца-свидетеля, или на ограниченной поверхности самого изделия после нахождения их в рабочей среде в течение достаточно длительного времени. Авторами обнаружено, что глубина питтинга на ранних стадиях его возникновения и развития (время экспозиции менее 10 часов) не может быть достаточно надежно определена по его диаметру. В то же время при длительном экспонировании для стали конкретной марки, работающей в среде с определенной концентрацией галогенов, отношение глубины питтинга к его диаметру является постоянной величиной [2].
Это обстоятельство нашло подтверждение при проведении авторами коррозионных испытаний на плоских образцах размером 20×30×6 мм из отожженной стали 12Х18Н10Т. Подготовка образцов заключалась в сухой шлифовке поверхности образца, в том числе в сошлифовке острых кромок.
3
В качестве модельной среды был выбран раствор 33 г/л NaCl + 1% FeCl в дистиллированной воде. Исследования проводились при температуре 22±2°С. Продолжительность экспонирования образцов составляла от 10 до 240 часов. По истечении времени экспонирования в растворе поверхность образцов обследовалась: после вскрытия крышечек производился замер глубины и диаметра образовавшихся питтингов.
n
Из методических соображений форму пятна питтинга представляли в виде круга. Для определения приведенного диаметра круга определяли длину периметра пятна питтинга L по его фотографии с помощью механического курвиметра. Эквивалентный диаметр рассчитывали по формуле:
Микроскопический анализ геометрии полостей питтингов показал, что они близки по своей конфигурации к конусу с весьма шероховатыми стенками и вершиной, уходящей в глубь образца. Для уточнения формы питтинга были проведены лабораторные исследования по методу последовательной сошлифовки. По окончании экспонирования образец извлекали из раствора, промывали, просушивали и полировали. Обследованию подвергались относительно крупные питтинги, их глубину замеряли методом двойной фокусировки, приведенный диаметр определяли по фотографии с использованием механического курвиметра. Учету подвергали питтинги максимальных размеров.
После этого сошлифовывали с поверхности образца слой толщиной 10 мкм и вновь фотографировали тот же питтинг, процедуру выполняли многократно.
Статистическая обработка экспериментальных данных методом наименьших квадратов показала, что зависимость между приведенными диаметрами пятен питтингов и соответствующими им глубинами при выдержках, превышающих 10 часов, наилучшим образом описывается зависимостью:
экв
где h - глубина питтинга, D - эквивалентный диаметр пятна питтинга, А - экспериментально определяемая константа, в частности для стали 12Х18Н10Т при указанном составе рабочей среды величина А=0,571.
min
Для изделия из хромоникелевой нержавеющей стали с минимальной толщиной стенки h с учетом выражения (1) можно записать:
до
где τ - время наработки изделия до отказа.
экв
экс
В то же время для наибольшего питтинга с эквивалентным диаметром D, обнаруженного на изделии после времени экспонирования τ, справедливо выражение
Поделив почленно (4) на (5) и произведя простые преобразования, найдем искомое время наработки изделия до отказа
экс
В последнем выражении константы А и В также, как и в выражении (1), - экспериментально определяемые величины, зависящие от марки стали и содержания галогенов с рабочей средой при данной температуре. Эти константы определяются опытным путем для конкретных сталей для конкретных рабочих сред в лабораторных условиях до начала эксплуатации изделий. Необходимая длительность экспонирования τ определяется экономической целесообразностью, но не должна составлять менее 10 часов.
Если имеется техническая возможность исследования части поверхности изделия в процессе его эксплуатации, контактирующего с рабочей средой, то исследуется эта часть с фиксацией пятна наиболее крупного питтинга, например, с помощью микрофотосъемки.
Таким образом, предлагаемый способ прогнозирования заключается в:
- экспонировании в рабочей среде самого изделия или образца-свидетеля в течение периода времени не менее 10 часов;
- исследовании поверхности образца-свидетеля или части поверхности самого изделия и фиксации изображения наиболее крупного пятна питтинга;
- определении длины периметра пятна наибольшего питтинга, например, с помощью механического курвиметра;
- нахождении эквивалентного диаметра пятна наибольшего питтинга;
- вычислении времени наработки до отказа изделия из хромоникелевой нержавеющей стали с заданной толщиной стенки.
Источники информации
1. Рыжаков В.В., Купряшин В.А., Байков О.Е. Экспериментальные исследования соотношения диаметра и глубины питтингов на образцах из стали 12Х18Н10Т. М.: ВИМИ, межотраслевой научно-технический журнал «Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России», 2008, № 2.
2. Веттегрень В.И., Башкарев А.Я., Морозов Г.И. Распределение пятен питтинговой коррозии на поверхности металлов. Письма в ЖТФ, 2002, том 28, вып.13, с.1-6.
3. Патент РФ № 2225608, кл.7 G01N 17/02. Способ оценивания параметров закона роста питтинга. Рыжаков В.В., Рудюк М.Ю. Бюл. № 7, 10.03.2004 г.