книги / Эксплуатация оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи

При длительном действии статической нагрузки, меньшей предела прочности, на некоторые виды сталей в коррозионных средах может наблюдаться хрупкое разрушение металла.

Различают следующие виды коррозионно-механического раз­ рушения элементов оборудования: коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, коррозия при трении.

Коррозионное растрескивание возникает при действии стати­ ческих напряжений в весьма агрессивной по отношению к дан­ ному металлу среде. Причинами подобного разрушения являются пониженная коррозионная стойкость границ зерен в результате выделения из пересыщенного твердого раствора фазы с отрица­ тельным потенциалом, наличие в сплаве структурной состав­ ляющей, неустойчивой по отношению к данной коррозионной среде; наводороживание границ зерен, сопровождающееся разви­ тием значительных давлений, снижающих межкристаллитную прочность.

Это хрупкое разрушение происходит под действием лишь нормальных растягивающих напряжений, вызванных внешней нагрузкой, или остаточных напряжений растяжения. Коррозион­ ное растрескивание не связано с общей коррозионной стойко­ стью металла, Например, углеродистые и малоуглеродистые ста­ ли практически не корродируют в щелочных средах, но в то же время они подвержены коррозионному растрескиванию, назы­ ваемому в этом случае щелочной хрупкостью. Коррозионное рас­ трескивание происходит в щелочных и кислых средах и носит, в основном, межкристаллитный характер. Характерной чертой кор­ розионного растрескивания является то, что разрушение стали происходит без заметных пластических деформаций и может произойти внезапно.

Коррозионная усталость представляет процесс разрушения металлов и сплавов при одновременном действии коррозионной среды и циклических напряжений. Характер коррозионно­ усталостного разрушения зависит от агрессивности среды, уров­ ня действующих напряжений и частоты циклов. Механизм уста­ лостного разрушения металлов и сплавов в коррозионно­ активных средах достаточно сложен и в значительной степени определяется режимом нагружения, величиной действующих на­ пряжений, видом напряженного состояния, физико-химическими свойствами материала и контактирующей с ним среды.

Согласно существующим представлениям основной причиной снижения сопротивления усталости металлов и сплавов в корро­ зионно-активных средах, обладающих свойствами электролита, являются анодные процессы, локализующиеся в местах концен­ трации напряжений. Концентраторами напряжений могут быть

142

руемый металл увеличивается, что усиливает влияние агрессив­ ной среды;

д) влияние концентрации напряжений зависит от агрессивно­ сти среды по отношению к определенному металлу. Чем выше агрессивность среды, тем меньше влияние концентрации напря­ жений. В большинстве случаев чувствительность к концентрато­ рам (острым надрезам, углублениям, неметаллическим включе­ ниям и др.) в агрессивных средах по сравнению с воздухом уменьшается. Однако влияние концентратора может резко уси­ ливаться при условиях, когда металл находится в состоянии, близком к пассивному, и проявляется эффект щелевой коррозии (титан, нержавеющая сталь в морской воде).

Механическое изнашивание, усиливаемое явлениями корро­ зии, называют коррозионно-механическим изнашиванием. Разли­ чают следующие виды коррозионно-механического изнашивания: окислительное, фреттинг-коррозия, изнашивание в средах, яв­ ляющихся электролитами.

Окислительное изнашивание происходит при наличии на по­ верхностях трения окисных пленок, предотвращающих сближе­ ние контактирующих поверхностей до расстояния, на котором происходит их схватывание. По мере износа окисные пленки вновь восстанавливаются вследствие взаимодействия металла с кислородом воздуха.

Фреттинг-коррозия - процесс изнашивания, представляющий сочетание фреттинга с коррозией. Фреттингом называют особый вид изнашивания контактирующих поверхностей, совершающих под нагрузкой очень малые повторные относительные перемеще­ ния, например, продольные вибрации.

Изнашивание в средах, являющихся электролитами, представ­ ляет сочетание механического изнашивания с коррозией.

5.7. СОРБЦИОННО-МЕХАНИЧЕСКИЕ РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Известно, что механические свойства твердых тел при прочих равных условиях зависят от среды, в которой они находятся. Природа этого, весьма общего, физико-химического явления, открытого П.А. Ребиндером, состоит в следующем. По­ верхностно-активные среды снижают поверхностное натяжение материала, не вызывая в нем необратимых изменений структуры. Местом избирательной адсорбции атомов или молекул активной

145

среды служат дефекты структуры, к которым они проникают пу­ тем объемной или поверхностной диффузии. Разрушение твердо­ го тела всегда сопровождается развитием новой свободной по­ верхности. Этот процесс может облегчаться или ускоряться, если свободная поверхностная энергия на границе твердого тела с ок­ ружающей средой, т.е. работа образования новой поверхности, снижается по сравнению с ее значением в вакууме. В присутст­ вии поверхностно-активной среды облегчается возникновение и развитие пластических сдвигов и зародышевых трещин. В мик­ ромасштабе это означает, что взаимодействие с адсорбционно­ активными молекулами или атомами помогает перестройке и разрыву связей в данном твердом теле.

П.А. Ребиндером с сотрудниками было изучено влияние ти­ пичных органических поверхностно-активных сред (растворов высокомолекулярных спиртов, кислот и их производных) на процессы деформации ряда поли- и монокристаллических метал­ лов; в этих случаях даже при относительно небольшом снижении свободной поверхностной энергии, в результате адсорбционного эффекта, деформация облегчается; понижаются предел текучести и коэффициент упрочнения металла. При этом всегда наблюда­ ется значительное изменение пачек скольжения и зеренной структуры.

Хотя первичным действием поверхностно-активной среды яв­ ляется пластифицирование металла, конечным результатом мо­ жет оказаться значительное упрочнение поверхностных слоев вследствие намного большей, чем в отсутствие ПАВ, пластиче­ ской деформации.

Следует различать внешнюю и внутреннюю формы адсорбци­ онного эффекта.

Внутренняя форма адсорбционного эффекта вызывается ад­ сорбцией поверхностно-активных веществ (ПАВ) на внутренних поверхностях раздела зародышевых микротрещин разрушения, возникающих в процессе деформации металла. Это приводит к снижению работы образования новых поверхностей и облегче­ нию развития микротрещин, что проявляется в возникновении хрупкого разрушения и резкой потере прочности.

Следует различать два возможных случая влияния физиче- ски-активных сред на механические характеристики металла, а именно: влияние среды на металл до его деформирования и влияние среды в процессе деформирования. Среда сильно влияет на механические свойства металла, если она может проникнуть на значительную глубину внутрь металла через дефекты. Неко­ торые виды напряженного состояния, например, остаточные на­ пряжения сжатия, препятствуют проникновению среды внутрь

146

металла; в процессе деформирования дефекты развиваются, в силу чего проникновение среды внутрь металла облегчается. По­ верхностно-активные среды не оказывают влияния на механиче­ ские характеристики поликристаллических металлов при предва­ рительном нахождении металла до нагружения в этой среде.

Эффект влияния поверхностно-активных сред на прочность и деформируемость металла, так называемый адсорбционный эф­ фект снижения прочности и облегчения деформации, ярко про­ является при кратковременном либо длительном действии стати­ ческих нагрузок на металлические монокристаллы. В этих случа­ ях под влиянием поверхностно-активных сред снижается предел текучести почти вдвое, значительно увеличивается пластичность монокристаллов и число пачек скольжения.

При длительном действии статической нагрузки на металли­ ческие монокристаллы в поверхностно-активных средах увеличи­ вается начальная скорость ползучести в 10- 20, а иногда и в 100 раз. Увеличение общей деформации и скорости ползучести приводит к ускорению разрушения монокристаллов в поверхно­ стно-активных средах. На рис. 5.4 показаны зависимости основ-

Нумкм

рис. 5.4. Зависимости структурных и механических характеристик монокри­ сталлов олова от концентрации С олеиновой кислоты в вазелиновом масле:

1 - толщина пачек Н; 2 - коэффициент упрочнения X - сLP/de; 3 ~ предел теку­

чести От

ных структурных и механических характеристик монокристаллов олова от концентрации добавок олеиновой кислоты, являющейся ПАВ, к вазелиновому маслу, являющемуся инертной средой. Из графиков видно, что все три эффекта действия адсорбирующихся веществ - понижение предела текучести, понижение коэффици­ ента упрочнения и измельчение толщины пачек скольжения - имеют общий характер, что указывает на единый механизм. Ос­ новой этого является снижение поверхностной энергии при ад­ сорбции и расклинивании дефектов типа микрощелей (эффект Ребиндера). Характерной особенностью эффекта Ребиндера яв­ ляется то, что он проявляется только при определенном напря­ женном состоянии; растяжение способствует его проявлению, а сжатие может полностью его прекратить. Сорбционно-активными средами являются расплавы ряда металлов.

Жидкие металлы оказывают влияние на прочность металлов в твердом состоянии сначала путем адсорбционного воздействия, а затем абсорбционного, т.е. диффузионного влияния, которое мо­ жет привести к разупрочнению из-за растворения твердого ме­ талла, либо внедрения жидкого металла в твердый с образовани­ ем нового менее прочного сплава. Характерной особенностью диффузионного влияния на прочность металлов является разви­ тие этого влияния с течением времени, тогда как адсорбционное влияние достигает максимума за короткое время. Например, под влиянием расплавленных металлических покрытий из олова, кадмия свинца и оловянисто-свинцовистых припоев прочность и главным образом пластичность стали, латуни, меди и алюминие­ вых сплавов снижается, что может вызывать излом элементов оборудования из этих материалов в подобных условиях.

Эти же покрытия в твердом состоянии (при комнатной тем­ пературе) практически не влияют на прочность и очень незначи­ тельно уменьшают пластичность покрываемых ими металлов.

Как видно из табл. 5.3 покрытия в твердом состоянии (при комнатной температуре) не влияют на предел прочности, но в некоторых случаях несколько снижают показатели пластичности (до 30 %). Расплавление покрытий вызывает снижение прочно­ сти стали ЗОХГСА и, особенно сильно, ее пластичности, напри­ мер, расплавление кадмиевого покрытия привело к почти полной потере пластичности (снижение на 93 %).

Увеличение температуры расплава значительно усиливает эффект снижения прочности и пластичности стали. Повышение температуры стали ЗОХГСА, покрытой оловом, до 400 °С вызы­ вает не только полную потерю пластичности, но и катастрофиче­ ское снижение предела прочности, который составляет примерно 20 % от предела прочности непокрытой стали. Подобное сниже-

148