Введение
Разрастание трещин в коррозионной среде
Коррозионное трещинообразование под напряжением (КТН) – это рост трещин в коррозионной среде. Оно может привести к неожиданному и внезапному разрушению обычно пластичных сплавов металлов, находящихся под растягивающим напряжением, особенно при повышенной температуре. КТН обладает высокой химической специфичностью, поскольку некоторые сплавы подвержены КТН только при воздействии ограниченного числа химических сред. Химическая среда, вызывающая КТН для конкретного сплава, часто лишь слабо коррозионна по отношению к металлу. Следовательно, металлические детали с выраженным КТН могут выглядеть яркими и блестящими, при этом содержать микроскопические трещины. Этот фактор часто приводит к тому, что КТН остается незамеченным до разрушения. КТН часто быстро прогрессирует и чаще встречается у сплавов, чем у чистых металлов. Конкретная среда имеет решающее значение, и для возникновения катастрофического трещинообразования требуются лишь очень небольшие концентрации некоторых высокоактивных химических веществ, что часто приводит к разрушительному и неожиданному отказу. Напряжения могут быть вызваны концентрацией напряжений в зонах трещин, типом сборки или остаточными напряжениями, возникающими в процессе изготовления (например, при холодной обработке); остаточные напряжения могут быть сняты отжигом или другими видами обработки поверхности. Неожиданный и преждевременный отказ оборудования для химических процессов, например, из-за коррозионного трещинообразования под напряжением, представляет серьезную опасность с точки зрения безопасности персонала, производственных объектов и окружающей среды. Снижая надежность такого оборудования, подобные отказы также негативно сказываются на производительности и прибыльности.
Механизмы
Коррозионное растрескивание под напряжением в основном поражает металлы и металлические сплавы. Схожий эффект, также известный как хрупкое разрушение под воздействием окружающей среды, также влияет на другие материалы, такие как полимеры, керамика и стекло.
Полимеры
Аналогичный процесс (трещинообразование под воздействием окружающей среды) происходит в полимерах, когда изделия подвергаются воздействию определенных растворителей или агрессивных химических веществ, таких как кислоты и щелочи. Как и в случае с металлами, поражение ограничивается конкретными полимерами и определенными химическими веществами. Так, поликарбонат чувствителен к воздействию щелочей, но не кислот. С другой стороны, полиэстеры легко разлагаются кислотами, и SCC является вероятным механизмом разрушения. Полимеры подвержены трещинообразованию под воздействием окружающей среды, даже если агрессивные агенты не обязательно вызывают химическое разложение материала. Нейлон чувствителен к разложению кислотами, процесс, известный как гидролиз, и изделия из нейлона трескаются при контакте с сильными кислотами. Например, поверхность излома топливного разъема показала прогрессирующий рост трещины от кислотного воздействия (Ch) до конечной точки (C) полимера. В данном случае разрушение было вызвано гидролизом полимера при контакте с серной кислотой, вытекающей из автомобильного аккумулятора. Реакция деградации является обратной реакции синтеза полимера:
Трещины могут образовываться во многих различных эластомерах под воздействием озона, что является еще одной формой SCC в полимерах. Даже незначительные следы газа в воздухе атакуют двойные связи в резиновых цепях, при этом наиболее чувствительны к разложению натуральный каучук, стирол-бутадиеновый каучук и нитрил-бутадиеновый каучук. Озоновые трещины образуются в изделиях, находящихся под напряжением, но критическое напряжение очень мало. Трещины всегда ориентированы под прямым углом к оси растяжения, поэтому они образуются по окружности в согнутой резиновой трубке. Такие трещины опасны, если они возникают в топливопроводах, поскольку трещины растут от внешних поверхностей внутрь трубы, что может привести к утечке топлива и пожару. Озоновые трещины можно предотвратить, добавляя антиозонанты в резину перед вулканизацией. Озоновые трещины часто встречались на боковинах автомобильных шин, но теперь наблюдаются редко благодаря использованию этих добавок. С другой стороны, проблема может возникать в незащищенных изделиях, таких как резиновые трубки и уплотнения.
Керамика
Этот эффект значительно реже встречается в керамике, которая, как правило, более устойчива к химическому воздействию. Хотя фазовые переходы обычны в керамике при нагрузке, они обычно приводят к повышению прочности, а не к разрушению (см. Диоксид циркония). Недавние исследования показали, что та же движущая сила, лежащая в основе этого механизма повышения прочности, может также усиливать окисление восстановленного оксида церия, вызывая медленный рост трещин и самопроизвольный отказ плотных керамических изделий.
Стекло
Подкритическое распространение трещин в стеклах подразделяется на три области. В области I скорость распространения трещин возрастает с повышением влажности окружающей среды из-за химической реакции, ускоренной напряжением, между стеклом и водой. В области II скорость распространения трещин контролируется диффузией и зависит от скорости доставки химических реагентов к вершине трещины. В области III распространение трещин не зависит от окружающей среды, достигнув критического значения напряжённой концентрации. Другие химические вещества, помимо воды, такие как аммиак, могут вызывать подкритическое распространение трещин в кварцевом стекле, но они должны содержать донорный центр электронов и донорный центр протонов.
Профилактика
Остаточные напряжения сжатия, создаваемые лазерным упрочнением, точно контролируются как по расположению, так и по величине и могут применяться для смягчения резких переходов в области растяжения. Лазерное упрочнение создает глубокие остаточные напряжения сжатия, в 10–20 раз превышающие глубину проникновения при традиционной дробеструйной обработке, что делает его значительно более эффективным для предотвращения МКК (межкристаллитной коррозии). Лазерное упрочнение широко используется в аэрокосмической и энергетической отраслях, в частности, в газотурбинных двигателях. Выбор материала: выбор подходящего материала для конкретной среды может помочь предотвратить МКК. В коррозионных средах следует использовать материалы с повышенной устойчивостью к коррозии и коррозионному растрескиванию. Например, использование нержавеющей стали вместо углеродистой стали в морской среде может снизить вероятность возникновения МКК. Защитные покрытия: нанесение защитного покрытия или барьера может предотвратить контакт коррозионно-активных веществ с металлической поверхностью, тем самым снижая вероятность возникновения МКК. Например, нанесение эпоксидного покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода может снизить вероятность МКК. МКК стала причиной катастрофического обрушения моста «Сильвер Бридж» в декабре 1967 года, когда подвесной мост через реку Огайо в Пойнт-Плезант, штат Западная Вирджиния, внезапно разрушился. Основной шарнирный узел разрушился, и вся конструкция упала в реку, унеся жизни 46 человек, находившихся в транспортных средствах на мосту. Ржавчина в шарнирном соединении вызвала коррозионную трещину, которая стала критической из-за высокой нагрузки на мост и низкой температуры. Ситуацию усугубил высокий уровень остаточных напряжений в шарнирной балке. Эта катастрофа привела к переоценке мостов по всей стране. Перископ подводной лодки USS Hartford: в 2009 году перископ подводной лодки USS Hartford вышел из строя из-за МКК. Перископ используется для наблюдения за поверхностью, когда подводная лодка находится под водой. Отказ произошел, когда перископ был выдвинут через корпус подводной лодки, что привело к попаданию морской воды в уплотнение перископа. Морская вода вызвала МКК в стальной опорной конструкции перископа, в результате чего перископ опустился обратно в подводную лодку. К счастью, никто не пострадал, но подводную лодку пришлось вывести из эксплуатации для ремонта. Трансаляскинский нефтепровод: в 2001 году участок Трансаляскинского нефтепровода вышел из строя из-за МКК. Нефтепровод используется для транспортировки сырой нефти с Северного склона Аляски до морского терминала Валдес. Отказ произошел, когда на участке нефтепровода длиной 10,3 метра произошел разрыв, в результате чего пролилось более 900 000 литров сырой нефти. Расследование показало, что МКК возникла в нефтепроводе из-за присутствия воды и бактерий, которые создали коррозионную среду. Рейс 243 авиакомпании Aloha Airlines: в 1988 году рейс 243 авиакомпании Aloha Airlines испытал частичное разрушение фюзеляжа из-за МКК. Boeing 737-200 выполнял рейс из Хило в Гонолулу, Гавайи, когда часть фюзеляжа разорвалась, вызвав разгерметизацию. Расследование показало, что МКК возникла в алюминиевой обшивке фюзеляжа из-за повторяющихся циклов повышения и понижения давления в самолете. Этот инцидент привел к изменениям в процедурах технического обслуживания и инспекции воздушных судов для предотвращения подобных отказов в будущем.