Vandenilio trapumas ir metalurginės apsaugos priemonės: didelio stiprumo žemės inkaro strypų paviršiaus tempimo vientisumo užtikrinimas

Vandenilio trapumas ir metalurginės apsaugos priemonės: didelio stiprumo paviršiaus tempimo vientisumo užtikrinimasŽemės inkarasStrypai

 

Atliekant sudėtingas konstrukcijas, tokias kaip aukštos įtampos perdavimo vamzdžių bokštai, surišamos atraminės sienos ir atviroje jūroje esančios nuolydžio sulaikymo priemonės, geotechninėms konstrukcijoms reikalingi didelio tempimo lydinio inkariniai strypai, kurie atlaikytų ekstremalias ašines įtempimo apkrovas. Tačiau, nurodydami didelio stiprumo plieno komponentus (galutinis tempiamasis stipris Rm didesnis nei 1000 MPa arba lygus jai), palaidotus šlapiame, rūgštiniame arba elektrolitiškai aktyviame dirvožemyje, inžinieriai susiduria su tyliu, katastrofišku gedimo mechanizmu:Vandenilio trapumas (HE)irVandenilio sukeltas streso krekingas (HISC).

Skirtingai nuo vienodos paviršiaus korozijos, dėl kurios techninė įranga nuspėjamai pablogėja per dešimtmečius, vandenilio trapumas sukelia staigius, mažai įtemptus trapius lūžius be išankstinės išmatuojamos deformacijos ar paviršiaus metalo praradimo. Geotechnikos specialistams, elektros energijos tiekimo direktoriams ir konstrukcijų vadovams labai svarbu laikytis griežtų metalurgijos protokolų renkantis plieną, ėsdinant rūgštimi, galvanizuojant ir karštuoju cinkavimu siekiant užtikrinti 50+ metų požeminio paviršiaus vientisumą.

 

1. Elektrocheminis vandenilio sukeltų įtrūkimų plitimo mechanizmas

Vandenilio trapumas įvyksta, kai atominis vandenilis (H) prasiskverbia į mikroskopines didelio stiprumo plieno kristalines gardelę, veikiant tempimo įtempimui:

Atominio vandenilio patekimas:Cheminio valymo (rūgštinio ėsdinimo), galvanizavimo arba katodinės reakcijos būdu anaerobiniame prisotintame grunte paviršiaus vandenilio jonai priima elektronus, kad sudarytų atominį vandenilį (H2). Kadangi atominis vandenilis turi itin mažą joninį spindulį, jis greitai išsisklaido į tarpinius plieno matricos tarpus.

Streso sukeltas grotelių gaudymas:Kaižemės inkarasstrypas yra veikiamas didelio ašinio įtempimo, aplink vidinius inkliuzus, grūdelių ribas ir sriegio šaknų spindulius susidaro mikroskopinės įtempių koncentracijos. Judrus atominis vandenilis migruoja link šių didelio tempimo įtempių zonų, rekombinuodamas į molekulines vandenilio (H2) dujas arba susilpnindamas atomines geležies jungtis (sanglaudos mažinimo modelis).

Katastrofiškas mikroskilimas:Kai grūdų ribose susidaro vidinis mikroslėgis, mikroskopiniai plyšiai susilieja. Kai plyšys pasiekia kritinį ilgį, likusioje plieno dalyje staigiai transgranuliškai arba tarpkristališkai trapus įskilimas atsiranda apkrovų, kurios yra daug mažesnės už medžiagos takumo ribą.). 

2. Gamybos ir proceso apsaugos priemonės: kepimo protokolai ir siūlų geometrija

Norint sumažinti vandenilio trapumą, reikia griežtai kontroliuoti kalimo, cheminio apdorojimo ir cinkavimo gyvavimo ciklą:

Kepimas po marinavimo ir po cinkavimo vandeniliu: To remove trapped atomic hydrogen, high-strength threaded rods and drop-forged socket hardware (>1000 MPa) iš karto po valymo ar padengimo rūgštimi turi būti iškeptas nuo trapumo. ISO 4042 ir ASTM B849 standartai įpareigoja kepimo komponentus pramoninėse krosnyse190⁰C iki 220⁰C temperatūroje nuo 4 iki 24 valandų, prieš galutinį surinkimą iš plieninių grotelių išstumdamas mobilųjį vandenilį.

Kontroliuojamas sriegio valcavimas po terminio apdorojimo:Nukirpti siūlai turi mikroskopinius plyšimus ir aštrias šaknis, kurios tarnauja kaip stiprūs streso koncentracijos taškai. Ritinio sriegio didelio tempimo inkariniai strypaipo toterminis terminis apdorojimas suteikia sriegio šaknims liekamuosius gniuždymo įtempius, labai slopinančius vandenilio migraciją ir įtrūkimų atsiradimą.

Kontroliuojamas karštasis cinkavimas (ASTM A153 / ISO 1461):Naudojant mechaninį valymą srove (šrautiniu būdu) vietoj ilgo ėsdinimo rūgštimi, prieš panardinant išlydytą cinką atominis vandenilio poveikis sumažinamas iki minimumo, taip išsaugomas metalurginis plastiškumas.

3. Dirvožemio korozijos chemija ir per didelės katodinės apsaugos pavojai

Požeminio dirvožemio chemija atlieka dvejopą vaidmenį ilgalaikėje vandenilio inkaro rizikai:

Anaerobinių ir sulfatus redukuojančių bakterijų (SRB) aplinka:Užmirkusiuose moliuose arba organiniuose dirvožemiuose anaerobiniai SRB gamina vandenilio sulfidą (H₂S). Ištirpę sulfidai veikia kaip sunkūs „vandenilio nuodai“, neleidžiantys atominiam vandeniliui sudaryti nekenksmingas paviršiaus dujas, o vietoj to priversti jį tiesiai į plieninį strypą.

Katodinės apsaugos per didelė poliarizacija:Kadažemės inkarass sąsaja su aktyviomis katodinės apsaugos (CP) sistemomis gretimuose palaidotuose vamzdynuose, nustatant per neigiamus CP potencialus (-1100 mV, palyginti su Cu/CuSO₄) sukelia pernelyg didelę vandenilio išsiskyrimą inkaro paviršiuje. Nurodant normalizuotą, mažo jautrumo mikro legiruotą plieną, išvengiama CP sukelto trapumo.

K: Koks yra pagrindinis skirtumas tarp standartinės dirvožemio korozijos ir vandenilio trapumo žemės inkaruose?A:Standartinė dirvožemio korozija yra laipsniškas paviršiaus lygio oksidacijos procesas, kuris laikui bėgant sumažina plieno skerspjūvį. Vandenilio trapumas sukelia staigų, katastrofišką trapumą esant mažam įtempimui, be jokios matomos paviršiaus deformacijos ar pjūvio praradimo.

K: Koks gamybos procesas yra privalomas, kad būtų išvengta vandenilio trapumo didelio stiprumo inkaro strypuose?A:Didelio stiprumo plieno komponentai (Rm, didesnis arba lygus 1000 MPa) turi būti termiškai iškepti 190 laipsnių temperatūroje.⁰C iki 220⁰C 4–24 valandas iš karto po rūgštinio ėsdinimo arba cinkavimo, kad iš metalinės gardelės būtų pašalintas atominis vandenilis.

Kl.: Kodėl sriegio valcavimas po terminio apdorojimo pagerina atsparumą vandenilio trapumui?A:Sriegio valcavimas po terminio apdorojimo sukuria lygų, suapvalintą sriegio šaknies spindulius ir sukuria teigiamą liekamąjį gniuždymo įtempį išilgai paviršiaus, kuris slopina mikro įtrūkimų susidarymą ir neleidžia kauptis vandeniliui įtempimo mazguose.