Прогнозирование деградации стенки нефтехимического реактора с помощью насыщенных водородом образцов

Прогнозирование безотказной работы нефтехимических реакторов необходимо для безопасного функционирования нефтехимической промышленности. Однако в случае бездеформационнного хрупкого разрушения сделать адекватный прогноз по результатам регламентированного технического контроля не удается. Одним из источников такого разрушения является водородная хрупкость. Для решения задачи прогнозирования без крупногабаритных вырезок из стенок оборудования проведено сравнение механических свойств образцов, вырезанных из стенок разрушенного нефтехимического реактора после длительной эксплуатации, и образцов, изготовленных из листа той же марки стали и насыщенных методом катодной поляризации водородом до той же концентрации, которая была измерена в стенках исследованного реактора. Толщина листового проката, из которого изготовлены стенки, была равна толщине листа, из которого получены модельные образцы. Образцы вырезали вдоль и поперек направления прокатки. Проведены сравнительные исследования поведения идентичных модельных и «эксплуатационных» образцов, учитывающие развитие эксплуатационных повреждений, направления вырезки стандартизированных образцов для механических изотермических испытаний и время вылеживания образцов после наводороживания. Проведен регламентированный расчет остаточного ресурса реактора на основании механических характеристик вырезанных из него образцов. Обнаружена принципиальная разница в механических характеристиках модельных и «эксплуатационных» образцов. У модельных пределы прочности и текучести не менялись, а у образцов, вырезанных из реактора, они оказались меньше исходных на 30 %. Эта разница не дает возможности использовать модельные образцы, насыщенные методом катодной поляризации, для прогнозирования водородной деградации стальных элементов нефтехимического оборудования. Показана недостаточность регламентированных при технической диагностике методов неразрушающего контроля, так как они не учитывают возможности образования бездеформационного водородного растрескивания стенок оборудования. Показано, что методики проводимого при экспертизе регламентированного расчета остаточного ресурса эксплуатации на основании как фактических прочностных свойств образцов, вырезанных из эксплуатируемого оборудования, так и механических характеристик модельных наводороженных образцов, вырезанных в различных направлениях относительно направления прокатки, требуют переработки.

1. 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

2. Махутов Н. А., Гаденин М. М., Юдина О. Н. Анализ циклической прочности технических систем при сложных режимах эксплуатационного нагружения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 10. С. 55 – 62. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-10-55-62

3. Махутов Н. А., Гаденин М. М. Унификация методов расчетов и испытаний на прочность, ресурс и трещиностойкость / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 10. С. 47 – 54. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-10-47-54

4. Махутов Н. А., Гаденин М. М. Развитие фундаментальных и прикладных исследований в области машиноведения с использованием критериев прочности, ресурса, живучести и безопасности / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 10. С. 41 – 52. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-10-41-52

5. Gadenin M. M. Characteristics of mechanical properties of materials in studies of conditions of attainment of marginal stated / Inorganic Materials. 2013. Vol. 49. No. 15. P. 1352 – 1356. DOI: 10.1134/s0020168513150053

6. 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

7. Laureys A., Van den Eeckhout E., Petrov R., Verbeken K. Effect of deformation and charging conditions on crack and blister formation during electrochemical hydrogen charging / Acta Materialia. 2017. Vol. 127. P. 192 – 202. DOI: 10.1016/j.actamat.2017.01.013

8. Dwivedi S. K., Vishwakarma M. Hydrogen embrittlement in different materials: A review / International Journal of Hydrogen Energy. 2018. Vol. 43. P. 21603 – 21616. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.09.201

9. Lynch S. Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms / Corrosion Reviews. 2012. Vol. 30. P. 105 – 123. DOI: 10.1515/corrrev-2012-0502

10. Murakami Y., Kanezaki T., Mine Y. Hydrogen Effect against Hydrogen Embrittlement / Metallurgical and Materials Transactions A. 2010. Vol. 41. P. 2548 – 2562. DOI: 10.1007/s11661-010-0275-6

11. Wasim M., Djukic M. B., Ngo T. D. Influence of hydrogen-enhanced plasticity and decohesion mechanisms of hydrogen embrittlement on the fracture resistance of steel / Engineering Failure Analysis. 2021. Vol. 123. 105312, DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105312

12. Rehrl J., Mraczek K., Pichler A., Werner E. Mechanical properties and fracture behavior of hydrogen charged AHSS/UHSS grades at high- and low strain rate tests / Materials Science and Engineering: A. 2014. Vol. 590. P. 360 – 367. DOI: 10.1016/j.msea.2013.10.044

13. Wang R. Effects of hydrogen on the fracture toughness of a X70 pipeline steel / Corrosion Science. 2009. Vol. 51. P. 2803 – 2810. DOI: 10.1016/j.corsci.2009.07.013

14. Chaves I. A., Richardson P. J., Lynch S., Allen J. A. Impact of the Delay Period between Electrochemical Hydrogen Charging and Tensile Testing on the Mechanical Properties of Mild Steel / Corros. Mater. Degrad. 2024. Vol. 5. P. 265 – 275. DOI: 10.3390/cmd5020011

15. Dmytrakh I. M., Syrotyuk A. M., Leshchak R. L. Special diagram for hydrogen effect evaluation on mechanical characterizations of pipeline steel / Journal of Materials Engineering and Performance. 2023. Vol. 33. P. 3441 – 3454. DOI: 10.1007/s11665-023-08215-7

16. Zhang P., Laleh M., Hughes A. E., et al. A systematic study on the influence of electrochemical charging conditions on the hydrogen embrittlement behaviour of a pipeline steel / International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48. No. 43. P. 16501 – 16516. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.01.149

17. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. — М.: Металлургия, 1985. — 216 с.

18. Asadipoor M., Kadkhodapour J., Pourkamali A., et al. Experimental and numerical investigation of hydrogen embrittlement effect on microdamage evolution of advanced high-strenght dual-phase steel / Metals and Materials International. 2021. Vol. 27. P. 2276 – 2291. DOI: 10.1007/s12540-020-00681-1

19. Wasim M., Djukic M. B., Ngo T. D. Influence of hydrogen-enhanced plasticity and decohesion mechanisms of hydrogen embrittlement on the fracture resistance of steel / Engineering Failure Analysis. 2021. Vol. 123. 105312. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105312

20. Sofronis P., Liang Y., Aravas N. Hydrogen induced shear localization of the plastic flow in metals and alloys / European Journal of Mechanics. A. Solids. 2001. Vol. 20. No. 6. P. 857 – 872. DOI: 10.1016/s0997-7538(01)01179-2