Микротрещина в основном металле

Авторы: Р.А. Евсиков, А.В. Жулин, Д.С. Попов, Ю.П. Афромеев, В.Н. Середа (ОАО «НОРЭ»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №10/2015

Лабораторией технического контроля проводилось техническое диагностирование трубопровода циркуляционного газа, поступающего из колонны синтеза аммиака на подогреватель питательной воды котлов высокого давления (т.н. «горячего участка» трубопровода циркуляционного газа). Циркуляционным газом в производстве аммиака называют газовую смесь, обращающуюся в узле синтеза аммиака и содержащую азот, водород, аммиак, метан, инертные газы.

Рабочие параметры трубопровода: давление 22,4 МПа, температура до 328°С. В течение 27 лет трубопровод эксплуатировался с максимальным давлением до 32 МПа, затем давление было снижено по условию изменения давления в технологической цепочке. Срок службы «горячего участка» трубопровода циркуляционного газа – 39 лет.

Микротрещина в основном металле
Микротрещина в основном металле

Материал трубопровода – импортная сталь 10CrМо910 (STPA-24 по стандарту JIS G3458), приблизительный отечественный аналог – теплоустойчивая сталь 10Х2М. «Горячий участок» выполнен из труб диаметром 406,4×69 мм.

Металл оборудования узла синтеза аммиака эксплуатируется в весьма жестких условиях: высокие температура и давление, вибрация, воздействие химически активных веществ. Одним из наиболее опасных факторов (с точки зрения эксплуатационной надежности оборудования) является наличие условий для протекания водородной коррозии стали, опасность которой заключается в том, что она не проявляется никакими видимыми признаками вплоть до момента наступления критического состояния металла.

Под действием высокой температуры происходит термическая диссоциация молекулярного водорода, содержащегося в рабочей среде, атомы которого имеют очень небольшой размер, сравнимый с расстояниями между атомами в кристаллической решетке железа. Под действием избыточного давления происходит диффузия атомов водорода вглубь металла. Наиболее активно диффузия протекает по границам зерен стали. В результате химической реакции водорода с углеродом, содержащимся в растворенных в стали карбидах железа, образуются молекулы метана, которые имеют существенно больший размер, чем атомы водорода. В результате происходит образование полостей в металле, заполненных метаном. По данным работы [1], давление газа в таких полостях может достигать 106…108 ат, что гораздо выше предела прочности стали. Образование метана сопровождается обезуглероживанием стали и приводит к появлению микроразрывов и микротрещин в металле.

Стойкость стали против водородной коррозии определяется многими факторами: межатомными расстояниями в кристаллической решетке (аустенитные стали, железо в которых имеет плотно упакованную гранецентрированную кубическую решетку, практически не проявляют склонности к водородной коррозии); наличием в стали сильных карбидообразующих элементов (молибден, ниобий, хром), препятствующих обезуглероживанию; величиной зерна стали; наличием остаточных напряжений после деформации или сварки и т.п.

Стойкость стали против водородной коррозии характеризуется индукционным периодом водородной коррозии, в течение которого не происходит значимого ухудшения механических характеристик металла.

Помимо свойств самой стали, индукционный период зависит от температуры металла и парциального давления водорода в газовой среде, механических напряжений в металле, состояния поверхности, контактирующей с рабочей средой и др.

Обнаружение водородной коррозии в металле работающего оборудования является сложной задачей. Дело в том, что проявления водородной коррозии в виде охрупчивания металла на практике могут быть установлены только по результатам испытаний на прочность, требующих получения образцов металла. Однако вырезка образцов из металла ответственного оборудования сопряжена с большими техническими сложностями и материальными затратами на восстановительный ремонт.

Аналитическая оценка ресурса, которая предполагает расчет индукционного периода по справочным данным, также имеет ряд недостатков: в справочной литературе имеется весьма ограниченный набор данных для сталей разных марок при различных температуре и парциальном давлении водорода в газовой смеси. Кроме того, по истечению индукционного периода сталь может достаточно длительное время находиться в работоспособном состоянии (в зависимости от скорости обезуглероживания ее под действием водорода).

Для оценки степени развития водородной коррозии в металле «горячего участка» трубопровода были проведены металлографические исследования наиболее опасной (с точки зрения условий для протекания водородной коррозии) зоны – первого по ходу газа сварного стыка. В наплавленном металле и околошовной зоне после сварки сохраняются наибольшие остаточные напряжения, микроструктура металла сварного узла может содержать значительно большее количество микродефектов и участков химической и структурной неоднородности. Металл первого сварного шва, кроме уже сказанного, имеет самую высокую температуру.

Был выполнен контроль сварного шва методом цветной дефектоскопии (материалами по 2-му классу чувствительности). При этом выходящих на поверхность дефектов типа трещин обнаружено не было.

Однако по результатам металлографических исследований на локальных участках были обнаружены хрупкие микротрещины межкристаллитного характера, выходящие на наружную поверхность (см. рисунок). Выход микротрещин на наружную поверхность металла означает, что ресурс службы первого по ходу газа сварного соединения «горячего участка» трубопровода циркуляционного газа исчерпан.

Контроль остальных сварных швов «горячего участка» был выполнен методом ультразвуковой дефектоскопии.

При этом сигналы выше браковочного уровня не фиксировались.

Металлографическими исследованиями участка основного металла, прилегающего к дефектному сварному узлу, микротрещин не обнаружено.

Твердость металла сварных швов, в том числе дефектного шва, находилась в пределах 118…125НВ, что соответствует пределу прочности 385…403 МПа. Стандартный предел прочности стали марки STPA-24 – 410 МПа. Весьма вероятно, что некоторое снижение предела прочности материала связано с обезуглероживанием стали, вызванным водородной коррозией.

Специфика водородной коррозии состоит в том, что микроповреждения металла могут накапливаться до какого-то определенного уровня, после которого происходит катастрофическое разрушение конструкции. Уровень чувствительности традиционных физических методов контроля – ультразвукового и радиографического, цветной дефектоскопии – недостаточен для того, чтобы обнаружить начальные стадии повреждения металла, особенно, если речь идет о массивных изделиях. Отсутствие дефектов, превышающих браковочный уровень, по результатам перечисленных методов контроля, не может гарантировать длительную последующую безопасную эксплуатации конструкции, в которой уже были обнаружены признаки развитой водородной коррозии.

Результаты измерения твердости позволяют сделать вывод, что состояние металла всех сварных швов примерно одинаковое, и несмотря на положительные результаты неразрушающего контроля существует опасность появления растрескивания.

В связи с этим было принято решение о проведении ремонта дефектного сварного шва. Кроме того, было рекомендовано выполнить замену всего трубопровода в течение ближайших трех лет.

Список литературы

  1. Ю.И. Арчаков. Водородная коррозия стали. М.: Металлургия», 1985.