WRAŻLIWOŚĆ STALI AUSTENITYCZNYCH NA KOROZJĘ WYWOŁANĄ CZYNNIKAMI TECHNOLOGICZNYMI I EKSPLOATACYJNYM

Transkrypt

1 97/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WRAŻLIWOŚĆ STALI AUSTENITYCZNYCH NA KOROZJĘ WYWOŁANĄ CZYNNIKAMI TECHNOLOGICZNYMI I EKSPLOATACYJNYM R. WIELGOSZ 1, A. ZAJĄC 2 Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Krakowskiej Kraków, Al. Jana Pawła II nr 37 STRESZCZERNIE W referacie przedstawiono przypadki wystąpienia korozji naprężeniowej i wżerowej w stalach austenitycznych użytych do budowy wymienników ciepła oraz instalacji poboru wody przemysłowej. Opisano mechanizmy inicjacji uszkodzeń korozyjnych oraz etapy ich rozwoju. Wykazano istotny wpływ procesów technologicznych zastosowanych podczas wytwarzania i montażu elementów na ich odporność korozyjną. Przedstawiono również wpływ warunków eksploatacji, ze szczególnym uwzględnieniem oddziaływania medium na materiał zastosowany do wytworzenia instalacji. W podsumowaniu zamieszczono wnioski o charakterze poznawczym i utylitarnym. Key words: corrosion, austenitic steel 1. WPROWADZENIE Największe zagrożenie dla stali odpornych na korozję stanowią następujące rodzaje korozji zlokalizowanej: wżerowa, naprężeniowa, szczelinową, międzykrystaliczna, i korozjo-erozja. W pracy przedstawiono przypadki uszkodzeń elementów wykonanych zestali kwasoodpornych austenitycznych, w wyniku działania korozji wżerowej i korozji naprężeniowej. 1 dr hab. inż., prof. PK, wielgosz@mech.pk.edu.pl 2 dr hab. inż., prof. PK

2 Korozja wżerowa jest związana z lokalną nieciągłością warstwy pasywnej. Może ona spowodować penetrację w głąb stali odpornej na korozję przy bardzo małej utracie ogólnej masy stali. Jej źródłem mogą być: wady struktury, wtrącenie niemetaliczne, uszkodzenie powierzchni lub lokalne chemiczne przerwanie warstwy pasywnej. Po utworzeniu się wżeru jego lokalne otoczenie chemiczne jest znacznie bardziej agresywne niż otoczenie w całej masie. Rozpoczęcie tworzenia się wżeru zależy od temperatury i stanu powierzchni, łącznie ze znajdującym się na niej osadem. W przypadku konkretnego środowiska określony gatunek stali charakteryzuje temperatura lub bardzo wąski zakres temperatury, powyżej której wżery będą zarodkowały, a poniżej której nie będą. Tworzenie się osadów podczas eksploatacji może powodować obniżenie temperatury, powyżej której tworzą się wżery. Dlatego częste czyszczenie (usuwanie osadu) może przedłużyć okres eksploatacji konstrukcji. Korozja wżerowa powstaje przede wszystkim w wyniku działania chlorków, jednak nie można określić ich krytycznego stężenia dla poszczególnych gatunków stali, ponieważ korozyjność roztworów zawierających chlorki jest zależna od obecności innych związków chemicznych w roztworze, mogących przyspieszać lub opóźniać rozwój korozji. Korozja naprężeniowa występuje zazwyczaj w roztworach mało agresywnych przy równoczesnym, działaniu naprężeń rozciągających. Często korozja naprężeniowa występuje pod wpływem naprężeń własnych tworzących się podczas wytwarzania konstrukcji lub podczas cykli cieplnych. Niektóre stale odporne na korozję są szczególnie podatne na tego rodzaju korozję w środowisku chlorków, a wymagane do spowodowania pękania naprężeniowo-korozyjnego stężenie chlorków jest zwykle bardzo małe. Wszystkie gatunki austenityczne, a szczególnie zawierające około 8% Ni, są narażone na korozję naprężeniową. 2. PRZEBIEG BADAŃ Badania przeprowadzono na dwu elementach wykonanych ze stali austenitycznej kwasoodpornej. Jednym z elementów była rurka nagniatana stanowiąca wewnętrzny układ wymiennika ciepła. Na rys. 1 pokazano fragment wewnętrznej części wymiennika ciepła po zdjęciu płaszcza. Jedna z rurek była pęknięta wzdłużnie w miejscu zaznaczonym strzałką na rysunku. Rurki były wykonane jako spawane wzdłużnie ze stali z gatunku X5CrNiMo o składzie chemicznym podanym w tablicy 1. Rurka uległa pęknięciu wzdłuż spoiny w strefie naprężeń rozciągających powstałych w trakcie zginania rurki podczas montażu wymiennika. Fragment pęknięcia rurki pokazano na rys

3 Rys. 1. Fragment wymiennika ciepła z pękniętą rurką. Pow. ok. 1,7 x Fig. 1. Fragment of heat exchanger with cracked tube. Mag. of aprox.1,7 x Rys. 2. Widok fragmentu pękniętej rurki oraz jej przekroju poprzecznego. Pow. ok. 2 x Fig. 2. View of cracked tube and its cross-section. Mag. of aprox.2 x Tabela 1. Składy chemiczne badanych stali Table 1. Table. Chemical composition of tested steel C Mn Si P S Ni Cr Mo Cu V Nb Ti Zawartość w % Rurka 0,04 1,59 0,58 0,042 0,005 10,97 16,41 1,95 0,25 0,05 0,02 0,01 Trójnik 0,06 1,28 0,29 0,032 0,17 8,37 17,24 0,19 0,26 0,08 0,01 0,007 Struktura materiału rurki była austenityczna, jak to pokazano na rys. 3. W strefie nagnieceń rurki stwierdzono występowanie linii poślizgu i bliźniaków wywołanych odkształceniem materiału, co widać na rys. 4. Rys. 3. Struktura materiału rurki. Pow. 300x; Traw. Mi15Fe. Fig. 3. Structure of tube material. Mag. 300 x; Etched by Mi15Fe. Rys. 4. Struktura materiału rurki w strefie odkształconej. Pow. 300x; Traw. Mi15Fe. Fig. 4. Structure of tube material in deformed zone. Mag. 300 x; Etched by Mi15Fe. 325

4 Obszar szwu rurki w przekroju poprzecznym pokazano na rys. 5. Pomiędzy materiałem rurki a granicą strefy spoiny od strony wewnętrznej powierzchni rurki występują karby zaznaczone strzałkami. Powierzchnię zewnętrzną linii połączenia rurki (lico spoiny) przedstawia rys. 6. Celem zwiększenia wymiany ciepła rurki były gofrowane (proces polegał na nagnieceniu rurek i wytworzeniu na ich powierzchni siatki prostopadłych linii). W wyniku procesu gofrowania w materiale rurek występują obszary o różnym stopniu zgniotu i w ślad za tym o różnej twardości i różnej wielkości naprężeń wewnętrznych. Zmierzone wartości mikrotwardości zawierały się w granicach od 187 HV do 275 HV. Rozkład mikrotwardości w materiale na przekroju poprzecznym rurki w miejscu nieuszkodzonym i w strefie pęknięcia pokazano na rys. 7 Drugim badanym elementem był trójnik pochodzący z instalacji do poboru wody do celów technologicznych z rzeki. Pobierana woda była poddawana procesowi koagulacji i sedymentacji, a następnie filtrowana przez filtry żwirowe i węglowe. W procesie technologicznym obróbki wody były dodawane chlorek żelaza (FeCl 3 ) oraz podchloryn sodu (NaOCl). Tak obrobiona woda przechodziła przez rurociąg a w tym przez trójnik. Ciśnienie panujące w rurociągu wahało się w granicach do 0,6 MPa nadciśnienia. Podczas regeneracji filtra rurociągiem płynie również powietrze. Trójnik był wykonany ze stali z gatunku 0H18N9 o składzie chemicznym podanym w tablicy 1. Trójnik był wykonany z blachy o grubości 2 mm i miał średnicę 210 mm. Trójnik był połączony z rurociągiem na drodze spawania. Struktura materiału ścianki trójnika jest pokazana na rys. 8. Jest to struktura austenitu z pasmowymi wydzieleniami ferrytu i drobnymi węglikami. Rys. 5. Strefa połączenia. Pow. 20 x; Traw. Mi15Fe. Fig. 5. Fusion weld area (zone). Mag. 20 x; Etched by Mi15Fe. Rys. 6. Lico spoiny. SEM. Fig. 6. Fusion weld surface from its face side. SEM. 326

5 Rys. 7. Mikrotwardość rurki nieuszkodzonej i uszkodzonej. Pow. ok. 3 x Fig.7.Microhardness of undamaged tube and cracked tube. Mag. of aprox.2 x Rys. 8. Struktura materiału trójnika. Pow. 300x; Traw. Mi15Fe. Fig. 8. Structure of three-way pipe material.. Mag. 300 x; Etched by Mi15Fe. Rys. 9. Widok fragmentu powierzchni zewnętrznej trójnika. Pow. ok. 1,3x Fig. 9. Fragment of three-way pipe outer surface. Mag. of aprox.1,3 x Po kilku miesiącach eksploatacji na powierzchni zewnętrznej trójnika w okolicy spoin pojawiły się liczne plamy, co pokazano na rys. 9 i trójnik uległ rozszczelnieniu. Od strony wewnętrznej na powierzchni trójnika ujawniono występowanie licznych wżerów korozyjnych, jak to przykładowo pokazano na rys. 10 i na rys. 11. W przekroju poprzecznym ścianki trójnika występowały liczne ubytki korozyjne, co pokazano przy różnych powiększeniach na rys. 12, 13, 14 i 15. W wyniku połączenia ubytków w materiale nastąpiła utrata szczelności elementu. Obserwowane na powierzchni zewnętrznej ścianki trójnika wżery są wynikiem rozsadzania materiału ścianki ciśnieniem od środka trójnika. Proces te widoczny jest na rys. 16. W pierwszej fazie pocieniona ścianka pęka po granicach ziarn, co prowadzi w konsekwencji do powstania na powierzchni zewnętrznej ścianki krateru (wżeru), jak to widać na rys

6 Rys. 10. Fragment powierzchni wewnętrznej trójnika. SEM. Fig. 10. Fragment of three-way pipe inner surface. SEM. Rys.11. Fragment powierzchni wewnętrznej trójnika. SEM. Fig. 11. Fragment of three-way pipe inner surface. SEM. Rys. 12. Widok przekroju poprzecznego ścianki trójnika w strefie wżeru. Pow. 20 x Fig. 12. Cross-section view of three-way pipe wall in pitting area. Mag. 20 x Rys. 13. Fragment przekroju poprzecznego ścianki trójnika w strefie wżeru. Pow. 300 x; Traw. Mi15Fe. Fig. 13. Fragment of cross-section of threeway pipe wall in pitting area. Mag. 300 x; Etched by Mi15Fe. Rys. 14. Fragment przekroju poprzecznego ścianki trójnika w strefie wżeru. Pow. 300 x; Traw. Mi15Fe. Fig. 14. Fragment of cross-section of three-way pipe wall in pitting area. Mag. 300 x; Etched by Mi15Fe. Rys. 15. Fragment przekroju poprzecznego ścianki trójnika w strefie wżeru. Pow. 300 x; Traw. Mi15Fe. Fig. 15. Fragment of cross-section of threeway pipe wall in pitting area. Mag. 300 x; Etched by Mi15Fe. 328

7 W strukturze materiału trójnika w obszarach występowania wżerów obserwowano liczne wydzielenia węglików po granicach ziarn oraz występowanie linii poślizgu, co pokazano na rys.18 i rys. 19. Zjawiska te są wynikiem odkształcenia materiału powstałego podczas formowania kształtu trójnika oraz wpływu ciepła wywołanego procesem spawania przy montażu instalacji. Rys. 16. Fragment powierzchni zewnętrznej trójnika. SEM. Fig. 16. Fragment of three-way pipe outer surface. SEM. Rys. 17. Fragment powierzchni zewnętrznej trójnika. SEM. Fig. 17. Fragment of three-way pipe outer surface. SEM. Rys. 18. Struktura materiału trójnika w obszarze występowania wżerów. Pow. 500x; Traw. Mi15Fe. Fig. 18. Structure of three-way pipe material in pitting area. Mag. 500 x; Etched by Mi15Fe. Rys. 19. Struktura materiału trójnika w obszarze występowania wżerów. Pow. 500 x; Traw. Mi15Fe. Fig. 19. Structure of three-way pipe material in pitting area. Mag. 500 x; Etched by Mi15Fe. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania pozwalają stwierdzić, że pęknięcie przedmiotowej rurki było spowodowane nałożeniem się kilku czynników, które doprowadziły do wystąpienia objawów korozji naprężeniowej. Proces spawania oraz dodatkowo odkształcenie rurki w trakcie nagniatania oraz montażu wprowadziły do materiału naprężenia wewnętrzne. Drgania rurek w trakcie pracy wymiennika, przy istnieniu karbu na granicy spoiny sprzyjały dodatkowo rozprzestrzenianiu się pęknięcia. 329

8 Wyniki przeprowadzonych badań trójnika wykazały, że materiał z którego wykonano trójnik utracił szczelność w wyniku wystąpienia korozji wżerowej. Medium płynące rurociągiem stanowi konglomerat różnych substancji chemicznych, które mogą ze sobą reagować tworząc nowe związki chemiczne o jeszcze większej agresywności. Okresowe przedmuchiwanie rurociągu powietrzem powoduje dodatkowo oddziaływanie tlenu na występujące w medium substancje, jak też na produkty korozji wytworzone w wyniku reakcji medium ze stalą. Wyniki przeprowadzonych badań wykazują, że procesy korozyjne rozpoczęły się od powierzchni wewnętrznej badanych elementów w wyniku powstania korozji wżerowej. Proces ten zapoczątkował korodowanie stali po granicach, głównie w strefie wpływu ciepła spoiny, prowadząc do powstanie dużych jam w środkowej części blachy by w końcowej fazie doprowadzić pustki korozyjne do zewnętrznej powierzchni blachy. Cienka warstwa stali przy powierzchni zewnętrznej blachy była wypychana przez ciśnienie panujące wewnątrz rurociągu. Biorąc pod uwagę warunki pracy rurociągu należy uznać, w świetle przeprowadzonych badań, jak również danych literaturowych, że dobór stali kwasoodpornych do budowy urządzeń i instalacji musi być poprzedzony analizą warunków pracy urządzenia i odporności korozyjnej na działanie konkretnego medium stykającego się z zastosowanym materiałem. LITERATURA [1] M.Blicharski: Inżynieria materiałowa Stal, Wyd.WNT, Warszawa [2] G.V Karpenko, I.I Vasilenko: Stress Corrrsion Cracking of Steels. Wyd. Freud Publishing House, Switzerland [3] R Wielgosz: Badania procesów korozyjnych elementów konstrukcji ze stali austenitycznych, praca niepublikowana Kraków [4] R.J.Sack, E. R Bohnart.: Welding Principles and Practices Third edition. Copyright 2005 The McGraw-Hill Companies Inc. SENSITIVITY OF AUSTENITIC STEELS TO CORROSION CAUSED BY TECHNOLOGICAL AND OPERATING FACTORS SUMMARY The paper presents cases of stress and pitting corrosion in austenitic steels used to build heat exchangers and systems of industrial water consumption. The authors have described mechanisms of corrosion damages initiation and stages of their development. They have also demonstrated a considerable influence of technological processes applied during elements production and assembly on their corrosion resistance. Moreover, influence of service conditions has been presented, with particular emphasis on utilities affecting the material used to produce the system. The summary contains conclusions of a cognitive and utilitarian nature. Recenzował: prof. Stanisław Rzadkosz. 330