ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА СТАЛЬ 09Г2С ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ

Павлов С.Б.¹, Маликов В.А.²

²кандидат технических наук, ООО «Нефтехим-Балт» (г.Санкт-Петербург)

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА СТАЛЬ 09Г2С ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ

Аннотация

В статье представлены результаты исследований влияния водорода на сталь 09Г2С, которые позволяют уточнить пределы применения этого конструкционного материала в водородсодержащих средах.

Ключевые слова: водородная коррозия, индукционный период, сталь.

Pavlov S.B.¹, Malikov V.A.²

²Ph.D in Technical Sciences, JSC «Neftekhim-Balt» (St-Petersburg)

EFFECT OF HYDROGEN ON  STEEL 09G2S AT ELEVATED  TEMPERATURES AND PRESSURES

Abstract

The article presents the results of studies of the effect of hydrogen on steel 09G2S that allow to specify limits on the use of structural material in hydrogen environments.

Keywords: hydrogen corrosion, induction period, steel.

Стали, используемые в качестве конструкционных материалов в нефтехимической промышленности, подвергаются длительному воздействию водородсодержащих сред при повышенных температурах.

Характеристикой, оценивающей пределы применимости сталей в условиях воздействия водорода при повышенных температурах и давлениях, является индукционный период водородной коррозии. В литературе [1] индукционным периодом называют время, в течение которого не происходит видимых изменений микроструктуры и механических свойств металла. Индукционный период имеет зависимость от температуры и давления водорода. Традиционные методики определения индукционного периода [2] не учитывают влияния водорода, растворенного в сталях при повышенных температурах и давлениях. В то же время, хорошо известно [3], что растворенный водород снижает пластические свойства материалов и провоцирует хрупкое разрушения, особенно в напряженном состоянии.

С целью уточнения влияния растворенного водорода была разработана методика определения механических свойств образцов сталей непосредственно при повышенных температурах и давлениях водорода.

Методика основана на использовании специального автоклава, монтируемого на универсальную разрывную машину Р-5. Конструкция установки позволяет нагревать, выдерживать под давлением водорода и разрывать образец непосредственно при условиях проведения эксперимента. Для проведения испытаний используются стандартные образцы на растяжение.

В качестве объекта исследования была выбрана сталь 09Г2С. Этот материал широко используется для изготовления оборудования нефтехимической промышленности и для него определена эмпирическая формула зависимости индукционного периода водородной коррозии от температуры и давления водорода [4]:

  (1)

Исследования включали испытания при температурах 550, 570, 620 °С и давлениях водорода 10, 15, 20 МПа. Для подтверждения характера полученных зависимостей влияния водорода на свойства стали была проведена серия аналогичных экспериментов в инертном газе – аргоне.

Результаты испытаний в среде водорода суммированы в Таблице 1. Результаты испытаний в аргоне, как и следовало ожидать, не показали изменения механических свойств.

 

Таблица 1  Результаты испытаний стали 09Г2С при повышенных температурах и давлениях водорода

Длительность выдержки τ, ч.	Предел прочности на разрыв σв, МПа	Относительное удлинение δ, %	Относительное сужение Ψ, %
давление 10 МПа и температура 550 °С.
0,25	262,1	36	71
1,5	260,9	38	66
3	264,9	40	69
7	258,6	34	63
10	254	27	55
15	257,7	26	42
20	213,9	12	20
22	227,6	9	12
давление 15 МПа и температура 550 °С.
0,25	265,5	42	74
0,83	262,3	32	64
1,5	250,6	38	60
3	252,6	28	42
5	237,2	19	29
7	248,3	23	30
9	201,1	5	5
давление 20 МПа и температура 570 °С.
0,17	239	37	61
0,5	230	37	60
1,5	216	18	22
5	208	6	<1
давление 15 МПа и температура 620 °С.
0,17	170	45	76
0,83	176	40	49
1,5	168	23	28
3,5	159	9	18
4	150	5	15

   

В ходе исследования установлено, что в результате выдержки в водороде при повышенных температурах и давлениях первоначально наблюдается снижение пластических свойств металла (снижение относительного удлинения и сужения) без снижения прочностных свойств. При рассмотрении характера снижения пластических свойств можно выделить 3 стадии:

I стадия – не фиксируется никакого влияния;

II стадия – резкое падение пластических свойств (снижение относительного сужения и удлинения);

III стадия – продолжающееся снижение пластических свойств и начало падения прочности, характеризуемое снижением предела прочности.

По нашему мнению, III стадия совпадает с индукционным периодом определенным традиционным способом, но реально период безопасной эксплуатации материала определяет окончание I стадии. Данное утверждение подтверждается металлографическими исследованиями, выполненными на разрушенных образцах. Результаты металлографических исследований не выявили характерных признаков водородной коррозии (обезуглероживание, растрескивание по границам зерен) на образцах, для которых не отмечалось снижения предела прочности.

Таким образом, полученные результаты позволили уточнить значение индукционного периода с учетом влияния растворенного водорода. Уточненная эмпирическая формула зависимости индукционного периода стали 09Г2С от температуры и давления водорода будет выглядеть следующим образом:

    (2)

Данная корректировка коэффициента в формуле индукционного периода учитывает влияние растворенного водорода в стали при повышенных температурах и давлениях, что, в свою очередь, позволяет точнее оценить время безопасной эксплуатации материала.

Литература

1. Арчаков Ю.И. Водородная коррозия сталей. М.: Металлургия,1985. 192 с.
2. Арчаков, Ю.И., Тесля Б.М. К вопросу о безопасных границах применения стали 12 МХ при повышенных температурах и давлениях водорода. // Физико-химическая механика материалов, 1982, №3. С. 30-31.
3. Колачев Б.А.Водородная хрупкость металлов. М.:Металлургия,1985. 216 с.
4. Ершова О.Б. Закономерности процесса водородной коррозии и применение стали 09Г2С при повышенных температурах и давлениях. Дис.канд.техн. наук.- Л., 1990. - 158 с.

References

1. Archakov Ju.I. Vodorodnaja korrozija stalej. M.: Metallurgija,1985. 192 s.
2. Archakov, Ju.I., Teslja B.M. K voprosu o bezopasnyh granicah primenenija stali 12 MH pri povyshennyh temperaturah i davlenijah vodoroda. // Fiziko-himicheskaja mehanika materialov, 1982, №3. S. 30-31.
3. Kolachev B.A.Vodorodnaja hrupkost' metallov. M.:Metallurgija,1985. 216 s.