Влияние водорода низкого давления на механизм разрушения сталей для нефтехимического оборудования

Исследованы последствия водородной коррозии стенок химического реактора из стали 09Г2С в процессе эксплуатации. Срок эксплуатации — 85 тыс. ч. Условия работ — внешняя термомеханическая нагрузка при низком давлении водородосодержащей внутренней среды (0,05 МПа). Сопоставлены данные исследований вырезанных из стенок реактора образцов с результатами, полученными при испытаниях изолированных, искусственно насыщенных водородом образцов из стали этой же марки. Получены новые данные о влиянии водорода и внешней нагрузки на механические свойства, структуру и химические превращения стали. Эти данные отличаются от ранее опубликованных тем, что установлено повышение пластичности металла после эксплуатационной водородной деградации (она выше, чем у новых образцов из стали той же марки) и формирование хрупкого излома металла при достаточно высоком значении его ударной вязкости. Причем несмотря на наблюдаемое под микроскопом полное обезуглероживание некоторых элементов микроструктуры в процессе эксплуатации, средняя концентрация углерода не меняется, он скапливается на границах зерен. В искусственно насыщенных водородом образцах подобная картина не наблюдается. Выдвинуты предположения о возможных механизмах, химических реакциях, форме образующегося при этом углерода и его влиянии на механические свойства металла.

1. Nelson G. A. Use curves to predict steel life / Hydrocarbon Processing. 1965. Vol. 44(5). P. 185 – 188.

2. Сухотин А. М., Шрейдер А. В., Арчаков Ю. И. Коррозия и защита химической аппаратуры. Справочное руководство. Т. 9. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность. — Л.: Химия, 1974. — 576 с.

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

4. Хрусталев Ю. А. Наводороживание стали как следствие ее разрушения / Вестник ТГУ. 2000. Т. 5. № 2 – 3. С. 234 – 236.

5. Tapia-Bastidas C. V., Atrens A., Gray E. M. A. Thermal desorption spectrometer for measuring ppm concentrations of trapped hydrogen / International Journal of Hydrogen Energy. 2018. Vol. 43. N 15. P. 7600 – 7617. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.02.161

6. Vander Vennet S. et al. Mechanical load induced hydrogen charging of retained austenite in quenching and partitioning (Q&P) steel / International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48. N 6. P. 2428 – 2441. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.10.119

7. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. Итоги науки и техники. Серия «Металловедение и термическая обработка». — М.: Наука, 1989. — 221 с.

8. Арчаков Ю. И. Водородостойкость стали. — М.: Металлургия, 1978. — 152 с.

9. Шашкова Л. В. Фрактально-синергетические аспекты микроповреждаемости, разрушения и оптимизации структуры стали в условиях водородной хрупкости и сероводородного коррозионного растрескивания: монография. — Оренбург: ОГУ, 2013. — 305 с.

10. Раковская Е. Г., Занько Н. Г., Ягунова Л. К. Исследование влияния статических напряжений на водородосодержание и электрохимические характеристики сталей разного типа / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 3. С. 45 – 51. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-3-45-51

11. Раковская Е. Г., Ягунова Л. К. Исследование влияния растягивающих напряжений на абсорбцию водорода при катодной защите стали в морской воде / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 6. С. 24 – 28. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-6-24-28

12. Махутов Н. А. Комплексные исследования процессов разрушения материалов и конструкций / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 11. С. 46 – 51. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-11-46-51

13. Чернов И. П., Черданцев Ю. П., Лидер А. М., Гагарин Г. В. Физические свойства насыщенных водородом металлов и сплавов: специализированный физический практикум. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. — 250 с.

14. Яковлев Ю. А., Полянский В. А., Седова Ю. С., Беляев А. К. Модели влияния водорода на механические свойства металлов и сплавов / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. № 3. С. 136 – 160. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.3.13

15. Симонов Ю. Н., Симонов М. Ю. Физика прочности и механические испытания металлов: курс лекций. — Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. — 199 с.

16. Кузьмин В. З., Каюмов И. А., Сафарова И. И. и др. Развитие технологии получения высококонцентрированного изобутилена / Катализ в промышленности. 2013. № 2. С. 22 – 27.

17. Карпенко Г. В., Крипякевич Р. И. Влияние водорода на свойства стали. — М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1962. — 200 с.

18. Асвиян М. Б. К вопросу расчета и установления сроков службы труб, работающих при высоких температурах и давлениях водорода. — В сб.: Влияние водорода на служебные свойства стали. — Иркутск: Иркутск. книж. изд-во, 1963. С. 78 – 84.

19. Пат. № RU(11) 2 139 242(13) C1 C 01 B 31/30. Способ и устройство для получения карбида железа / Торакацу Миясита, Есио Утияма, Ейдзи Иноу, Дзюнья Накатани, Теруюки Наказава, Сатору Иидзима; заявитель и петентообладатель Кавасаки Дзюкогио Кабусики Кайся, Мицубиси Корпорейшн (Jp). — № 97121690/12: заявл. 27.05.1996; опубл. 10.10.1999.

20. Арутюнов В. С., Веденеев В. И. Пиролиз метана в области температур 1000 – 1700К / Успехи химии. 1991. Т. 60. № 12. С. 1384 – 1397. DOI: 10.1070/RC1991v060n12ABEH001154

21. Солнцев Ю. П. Металлы и сплавы: Справочник. — СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2003. — 1066 с.