Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Коррозиялық ортадағы жарықтардың өсуі
Growth of cracks in a corrosive environment
Кернеулік коррозиялық жарылу (ККЖ) – коррозиялық ортада жарықтардың өсуі. Бұл, әсіресе жоғары температурада, созылатын кернеуге ұшыраған, әдеттегідей, пластикалық металл қорытпаларының күтпеген және кенеттен істен шығуына алып келуі мүмкін. ККЖ химиялық жағынан өте ерекше, себебі кейбір қорытпалар тек белгілі бір химиялық орталарға ұшырағанда ғана ККЖ-ға шалдығуы мүмкін. Белгілі бір қорытпа үшін ККЖ тудыратын химиялық орта көбінесе металға жеңіл коррозиялық әсер етеді. Сондықтан, ауыр ККЖ-ға ұшыраған металл бөлшектері жарық және жылтыр көрінуі мүмкін, бірақ микроскопиялық жарықтармен толған болуы мүмкін. Осы фактор ККЖ-ның бұзылуға дейін анықталмауына себеп болады. ККЖ көбінесе жылдам дамиды және таза металдарға қарағанда қорытпаларда жиі кездеседі. Нақты ортаның маңыздылығы зор, сондықтан кейбір өте реактивті химиялық заттардың өте аз концентрациясы ғана катастрофиялық жарылуға әкелуі мүмкін, бұл көбінесе күтпеген және зиянды ақауларға соқтырады. Кернеулер кернеу концентрациясынан туындаған жарық жүктемелерінің нәтижесі болуы мүмкін, немесе құрастыру түрінен немесе өндірістен қалған кернеулерден (мысалы, суық өңдеу) туындауы мүмкін; қалдық кернеулерді оттеу немесе басқа да беттік өңдеулер арқылы азайтуға болады. Мысалы, химиялық процестердегі жабдықтардың күтпеген және ерте істен шығуы, Кернеулік коррозиялық жарылудың салдарынан, персоналдың, операциялық объектілердің және қоршаған ортаның қауіпсіздігіне қатысты ауыр қауіпті құрайды. Мұндай ақаулар жабдықтың сенімділігін төмендетіп, өнімділік пен пайдалылыққа кері әсер етеді.
Stress corrosion cracking (SCC) is the growth of crack formation in a corrosive environment. It can lead to unexpected and sudden failure of normally ductile metal alloys subjected to a tensile stress, especially at elevated temperature. SCC is highly chemically specific in that certain alloys are likely to undergo SCC only when exposed to a small number of chemical environments. The chemical environment that causes SCC for a given alloy is often one which is only mildly corrosive to the metal. Hence, metal parts with severe SCC can appear bright and shiny, while being filled with microscopic cracks. This factor makes it common for SCC to go undetected prior to failure. SCC often progresses rapidly, and is more common among alloys than pure metals. The specific environment is of crucial importance, and only very small concentrations of certain highly active chemicals are needed to produce catastrophic cracking, often leading to devastating and unexpected failure. The stresses can be the result of the crevice loads due to stress concentration, or can be caused by the type of assembly or residual stresses from fabrication (e. g. cold working); the residual stresses can be relieved by annealing or other surface treatments. Unexpected and premature failure of chemical process equipment, for example, due to stress corrosion cracking constitutes a serious hazard in terms of safety of personnel, operating facilities and the environment. By weakening the reliability of these types of equipment, such failures also adversely affect productivity and profitability.
Механизмдер
Кернеулік коррозияның жарылуы көбінесе металдар мен металл қорытпаларына әсер етеді. Осыған ұқсас, қоршаған ортаның стресстік жарылуы деп аталатын әсер полимерлер, керамика және шыны сияқты басқа материалдарға да әсер етеді.
Stress corrosion cracking mainly affects metals and metallic alloys. A comparable effect also known as environmental stress cracking also affects other materials such as polymers, ceramics and glass.
Полимерлер
Полимерлерде ұқсас процесс (қоршаған ортаның стрестік жарылуы) өнімдер белгілі бір еріткіштерге немесе қышқылдар мен сілтілер сияқты агрессивті химиялық заттарға ұшыраған кезде пайда болады. Металдардағыдай, әсер ету белгілі бір полимерлер мен нақты химиялық заттармен шектеледі. Осылайша, поликарбонат сілтілердің әсеріне сезімтал, бірақ қышқылдардың әсеріне емес. Ал полиэстерлер қышқылдармен оңай ыдырайды, және SCC – бұл мүмкін болатын ақау механизмдерінің бірі. Полимерлер қоршаған ортаның стрестік жарылуына бейім, онда әсер ететін факторлар материалды міндетті түрде химиялық тұрғыдан ыдыратпайды. Найлон қышқылдардың әсерінен ыдырауға сезімтал, бұл процесс гидролиз деп аталады, және күшті қышқылдардың әсерінен найлон бұйымдары жарылуы мүмкін. Мысалы, жанармай құбыршасының сыну бетінде қышқылдың әсерінен (Ch) полимердің соңғы нүктесіне (C) дейін жарықтың прогрессивті өсуі байқалды. Бұл жағдайда ақаулық полимердің автомобиль аккумуляторынан ағып шыққан күкірт қышқылымен байланыста гидролизденуінен туындады. Деградация реакциясы полимердің синтез реакциясының кері процесі болып табылады:
A similar process (environmental stress cracking) occurs in polymers, when products are exposed to specific solvents or aggressive chemicals such as acids and alkalis. As with metals, attack is confined to specific polymers and particular chemicals. Thus polycarbonate is sensitive to attack by alkalis, but not by acids. On the other hand, polyesters are readily degraded by acids, and SCC is a likely failure mechanism. Polymers are susceptible to environmental stress cracking where attacking agents do not necessarily degrade the materials chemically. Nylon is sensitive to degradation by acids, a process known as hydrolysis, and nylon mouldings will crack when attacked by strong acids. For example, the fracture surface of a fuel connector showed the progressive growth of the crack from acid attack (Ch) to the final cusp (C) of polymer. In this case the failure was caused by hydrolysis of the polymer by contact with sulfuric acid leaking from a car battery. The degradation reaction is the reverse of the synthesis reaction of the polymer:
Озонның әсерінен көптеген түрлі эластомерлерде жарықтар пайда болуы мүмкін, бұл полимерлерде SCC-нің тағы бір түрі. Ауадағы газдың тіпті ең кішкентай мөлшері де каучук тізбектеріндегі екі байланысқа әсер етеді, соның ішінде табиғи каучук, стирол-бутадиен каучук және нитрил-бутадиен каучук ең сезімтал. Озондық жарықтар кернеуге түскен өнімдерде пайда болады, бірақ шекті кернеу өте төмен. Жарықтар әрқашан деформация осіне перпендикуляр бағытта орналасады, сондықтан иілген резеңке түтікшеде шеңбер бойында пайда болады. Мұндай жарықтар жанармай құбырларында пайда болғанда қауіпті, себебі жарықтар құбырдың сыртқы бетінен ішкі бетіне дейін өседі, соның салдарынан жанармай ағуы мен өрт қаупі туындауы мүмкін. Озондық жарылуды алдын алу үшін вулканизация алдында каучукқа антиозондық заттар қосылады. Озондық жарықтар бұрын автомобиль дөңгелектерінің бүйірлік бөліктерінде жиі кездесетін, бірақ қазір бұл қоспаларды қолданудың арқасында сирек кездеседі. Алайда, проблема қорғалмаған өнімдерде, мысалы резеңке түтікшелер мен тығындарда қайта орын алуы мүмкін.
Cracks can be formed in many different elastomers by ozone attack, another form of SCC in polymers. Tiny traces of the gas in the air will attack double bonds in rubber chains, with natural rubber, styrene butadiene rubber, and nitrile butadiene rubber being most sensitive to degradation. Ozone cracks form in products under tension, but the critical strain is very small. The cracks are always oriented at right angles to the strain axis, so will form around the circumference in a rubber tube bent over. Such cracks are dangerous when they occur in fuel pipes because the cracks will grow from the outside exposed surfaces into the bore of the pipe, so fuel leakage and fire may follow. Ozone cracking can be prevented by adding anti ozonants to the rubber before vulcanization. Ozone cracks were commonly seen in automobile tire sidewalls, but are now seen rarely thanks to the use of these additives. On the other hand, the problem does recur in unprotected products such as rubber tubing and seals.
Керамика
Бұл әсер химиялық шабуылға көбінесе жақсы төзілетін керамикаларда айтарлықтай сирек кездеседі. Стресс жағдайында керамикада фазалық өзгерістер жиі болғанымен, олар әдетте бұзылудың орнына қатаюға алып келеді (зирконий диоксидін қараңыз). Жақында жүргізілген зерттеулер көрсеткендей, осы қатаю механизмін тудыратын күш кемітілген церий оксидінің тотығуын да күшейтуі мүмкін, соның салдарынан тығыз керамикалық денелерде жарықтардың баяу өсуіне және кенеттен жұмыс істемей қалуына себеп болады.
This effect is significantly less common in ceramics which are typically more resilient to chemical attack. Although phase changes are common in ceramics under stress these usually result in toughening rather than failure (see Zirconium dioxide). Recent studies have shown that the same driving force for this toughening mechanism can also enhance oxidation of reduced cerium oxide, resulting in slow crack growth and spontaneous failure of dense ceramic bodies.
Шыны
Шыныларда сыншыл деңгейден төмен жарылыс таралуы үш аймаққа бөлінеді. I аймақта жарылыс таралу жылдамдығы, шыны мен су арасындағы кернеуге байланысты химиялық реакцияның күшеюіне байланысты, қоршаған ортаның ылғалдылығы артуымен бірге өседі. II аймақта жарылыс таралу жылдамдығы диффузиямен реттеледі және химиялық реагенттердің жарылыс ұшына тасымалдану жылдамдығына байланысты. III аймақта жарылыс таралуы ортаға тәуелсіз, өйткені сындық кернеу интенсивтігіне жеткен. Судан басқа аммиак сияқты химиялық заттар да кремний шынысында сыншыл деңгейден төмен жарылыс таралуын тудыруы мүмкін, бірақ оларда электрон донорлық және протон донорлық орталары болуы керек.
Subcritical crack propagation in glasses falls into three regions. In region I, the velocity of crack propagation increases with ambient humidity due to stress enhanced chemical reaction between the glass and water. In region II, crack propagation velocity is diffusion controlled and dependent on the rate at which chemical reactants can be transported to the tip of the crack. In region III, crack propagation is independent of its environment, having reached a critical stress intensity. Chemicals other than water, like ammonia, can induce subcritical crack propagation in silica glass, but they must have an electron donor site and a proton donor site.
Алдын алу
Лазерлік шерту арқылы берілетін қысымдық қалдық кернеулер орналасуы және қарқындылығы бойынша нақты бақыланады және созылатын аймақтарға күрт өтулерді азайту үшін қолданылуы мүмкін. Лазерлік шерту дәстүрлі шертуден 10-20 есе терең қысымдық қалдық кернеулерді тудырады, бұл оларды SCC-ні болдырмау үшін едәуір тиімді етеді. Лазерлік шерту кеңінен әуе-ғарыш және қуат өндіру салаларында газ турбиналық қозғалтқыштарда қолданылады. Материалды таңдау: Нақты бір орта үшін дұрыс материалды таңдау СКК-ні алдын алуға көмектеседі. Коррозияға және кернеулік коррозияның жарылуына жоғары төзімді материалдар коррозиялық ортада қолданылуы керек. Мысалы, теңіз ортасында көміртекті болаттың орнына тот баспайтын болатты пайдалану СКК пайда болу мүмкіндігін азайтады. Қорғау жабындары: Қорғау жабыны немесе кедергіні қолдану коррозиялық заттардың металл бетімен тікелей жанасуын болдырмауға көмектеседі, осылайша СКК пайда болу мүмкіндігін азайтады. Мысалы, құбырдың ішкі бетіне эпоксид жабыны қолдану СКК пайда болу мүмкіндігін азайтуға көмектеседі. 1967 жылғы желтоқсанда Silver Bridge-тің күйреуіне СКК себеп болды, ол Батыс Вирджиния штатының Point Pleasant қаласындағы Огайо өзені арқылы салынған көзге ілінген көпір еді. Негізгі тізбек буыны бұзылып, бүкіл құрылым өзенге құлап, көпірден өтіп бара жатқан 46 адам қаза тапты. Көздің тұйықтауындағы тотықтан пайда болған кернеулік коррозия жарығы, көпірге салған ауыр жүктеме мен төмен температураның салдарынан қауіпті деңгейге жетті. Бұл ақаулық көздің тұйықтауындағы қалдық кернеудің жоғары деңгейімен күшейді. Осы апатқа байланысты бүкіл елде көпірлерді қайта қарау жұмыстары жүргізілді. USS Hartford су асты кемесінің перископы: 2009 жылы USS Hartford су асты кемесінің перископы СКК салдарынан істен шықты. Перископ су асты кемесі су астында болғанда беткі қабатты көру үшін қолданылады. Ақаулық перископтың корпусы арқылы созылғанда, теңіз суы перископтың тығыздағышына еніп, СКК-нің перископтың болат тіреу құрылымында пайда болуына себеп болды, нәтижесінде перископ су асты кемесіне құлап түсті. Әйқын зардап шеккендер болмады, бірақ су асты кемесі жөндеуге алынып қойылды. Транс-Аляска құбыр жолы: 2001 жылы Транс-Аляска құбыр жолының бір бөлігі СКК салдарынан бұзылды. Бұл құбыр Алясканың Солтүстік жағалауынан Валдез теңіз терминалына шикі мұнай тасымалдау үшін пайдаланылады. Апат құбырдың 34 фут бөлігінің жарылуына байланысты 285 000 галлоннан астам шикі мұнай төгілді. Тексеру барысында құбыр желісінде су мен бактериялардың болуынан СКК пайда болғаны анықталды, бұл коррозиялық ортаны тудырды. Aloha Airlines рейсі 243: 1988 жылы Aloha Airlines рейсі 243 СКК салдарынан фюзеляждың ішінара бұзылуына ұшырады. Боинг 737-200 Гавайидегі Хонолулуға ұшып бара жатқанда, фюзеляждың бір бөлігі жарылып, қысымның төмендеуіне әкелді. Тексеру барысында ұшақтың қайта-қайта қысымдалу және қысымды азайту циклдерінің салдарынан фюзеляждың алюминий қаптамасында СКК пайда болғаны анықталды. Осы оқиға нәтижесінде болашақта осындай ақаулардың алдын алу үшін ұшақтарды техникалық қызмет көрсету және тексеру процедуралары өзгертілді.
The compressive residual stresses imparted by laser peening are precisely controlled both in location and intensity and can be applied to mitigate sharp transitions into tensile regions. Laser peening imparts deep compressive residual stresses on the order of 10 to 20 times deeper than conventional shot peening, making them significantly more beneficial at preventing SCC. Laser peening is widely used in the aerospace and power generation industries in gas fired turbine engines. Material Selection: Choosing the right material for a specific environment can help prevent SCC. Materials with higher resistance to corrosion and stress corrosion cracking should be used in corrosive environments. For example, using stainless steel instead of carbon steel in a marine environment can reduce the likelihood of SCC. Protective Coatings: Applying a protective coating or barrier can help prevent corrosive substances from coming into contact with the metal surface, thus reducing the likelihood of SCC. For example, using an epoxy coating on the interior surface of a pipeline can reduce the likelihood of SCC. SCC caused the catastrophic collapse of the Silver Bridge in December 1967, when an eyebar suspension bridge across the Ohio River at Point Pleasant, West Virginia, suddenly failed. The main chain joint failed and the entire structure fell into the river, killing 46 people who were traveling in vehicles across the bridge. Rust in the eyebar joint had caused a stress corrosion crack, which went critical as a result of high bridge loading and low temperature. The failure was exacerbated by a high level of residual stress in the eyebar. The disaster led to a nationwide reappraisal of bridges. USS Hartford submarine periscope: In 2009, the periscope of the submarine USS Hartford failed due to SCC. The periscope is used to provide a view of the surface while the submarine is submerged. The failure occurred when the periscope was extended through the hull of the submarine, causing seawater to enter the periscope's seal. The seawater caused SCC to occur in the periscope's steel support structure, which led to the periscope falling back into the submarine. Fortunately, there were no injuries, but the submarine had to be taken out of service for repairs. Trans Alaska Pipeline: In 2001, a section of the Trans Alaska Pipeline failed due to SCC. The pipeline is used to transport crude oil from the North Slope of Alaska to the Valdez Marine Terminal. The failure occurred when a 34 foot section of the pipeline ruptured, causing a spill of over 285,000 gallons of crude oil. The investigation into the failure found that SCC had occurred in the pipeline due to the presence of water and bacteria, which had created a corrosive environment. Aloha Airlines Flight 243: In 1988, Aloha Airlines Flight 243 experienced a partial fuselage failure due to SCC. The Boeing 737 200 was flying from Hilo to Honolulu, Hawaii when a section of the fuselage ruptured, causing a decompression event. The investigation into the failure found that SCC had occurred in the aluminum skin of the fuselage due to the repeated pressurization and depressurization cycles of the aircraft. The incident led to changes in maintenance procedures and inspections for aircraft to prevent similar failures in the future.