Santrauka
Korozija yra progresuojanti, dažnai paslėptas degradacijos procesas, kuris sumažina medžiagą efektyvi laikančioji zona, keičia jo mikrostruktūrą ir gamina įtempių koncentratorius – visa tai tiesiogiai sumažina tempimo stiprumą ir lankstumą.
Tipiniais praktiniais scenarijais, korozija gali sumažinti tempimo stiprumą ~30–50 proc. ir sumažinti plastiškumo rodiklius (pailgėjimas, ploto sumažinimas) pateikė ~40% ir daugiau, transformuojantis kietas, deformuojami komponentai tampa trapūs, staigių nesėkmių rizika.
To pasekmė – ne tik materialiniai nuostoliai, bet ir pakopiniai sistemos gedimai, saugumo incidentai ir didelis ekonominis poveikis.
Supratimas apie mechanizmus, našumo praradimo matavimas, Siekiant apsaugoti konstrukcijas ir mašinas, būtina įgyvendinti daugiasluoksnę prevencijos ir stebėjimo programą.
1. Pagrindiniai mechanizmai: Kaip korozija pažeidžia medžiagų mechaninius pagrindus
Tempimo stiprio ir plastiškumo pablogėjimas dėl korozijos yra ne paviršutiniškas reiškinys, o daugialypis procesas, kuris mažina medžiagos veikimą tiek makroskopiniu, tiek mikroskopiniu lygiu..
Žala yra negrįžtama, o jo įtaką mechaninėms savybėms lemia trys pagrindiniai, tarpusavyje susiję mechanizmai, kiekvienas skirtas kritiniam medžiagos struktūrinio vientisumo aspektui.
Veiksmingos apkrovos ploto sumažinimas sukelia staigų tempimo stiprumo sumažėjimą
Korozija pažeidžia medžiagų paviršius ir net vidines matricas, formuojant laisvus rūdžių sluoksnius, gilios duobių ertmės, ir ėsdinančias poras, kurios tiesiogiai sumažina efektyvi laikančioji zona medžiagos – tikrasis skerspjūvio plotas, galintis atlaikyti išorinį tempimo įtempį.
Įprastoms inžinerinėms medžiagoms, tokioms kaip anglinis plienas, aliuminio lydiniai, ir mažai legiruoto plieno, stipri korozija gali sumažinti efektyvią laikančiąją plotą 30% į 50%.
Esant tokiai pat apkrovai, apkrovos ploto sumažėjimas lemia reikšmingą streso koncentracija esant korozijos defektams, kai faktinis medžiagos patiriamas įtempis gerokai viršija projektinį įtempį.
Šis koncentracijos efektas tiesiogiai susilpnina medžiagos atsparumą tempimui: korozijos pažeisti konstrukciniai plienai paprastai patiria a 30% į 50% ribinio tempimo stiprumo sumažėjimas (UTS),
tinkavimo medžiagos, kurios kažkada atitiko projektinės apkrovos reikalavimus, neatlaikė net įprastų eksploatacinių įtempių, ir padidina staigių tempimo lūžių riziką eksploatavimo sąlygomis.
Mikrostruktūriniai pažeidimai pašalina plastiškumą, Sukelia trapumą ir trapumą
Ėsdinančios medžiagos, įskaitant rūgštis, šarmų, chlorido jonai, sulfidai, ir vandenilio jonai - prasiskverbia į medžiagos vidinę mikrostruktūrą per paviršiaus defektus, sutrikdydami atomines surišimo jėgas tarp grūdų ir išilgai grūdų ribų.
Tai sukelia daugybę žalingų mikrostruktūrinių pokyčių, pavyzdžiui, tarpkristalinė korozija, Streso korozijos įtrūkimas (SCC), vandenilio trapumas, ir tarpmetalinių junginių nusodinimas, visa tai naikina medžiagos plastines deformacijos galimybes.
Ausmingumas, pasižymi tokiais rodikliais kaip pailgėjimas po lūžio ir ploto sumažinimas, yra medžiagos gebėjimas plastiškai deformuotis prieš lūžimą – pagrindinė savybė, apsauganti nuo staigaus trapumo.
Dėl korozijos sukeltos mikrostruktūrinės žalos šie plastiškumo rodikliai sumažėja daugiau nei 40% daugumai inžinerinių medžiagų: kietieji metalai, kurie iš pradžių plastiškai lenkėsi ir deformavosi veikiant įtempimui, praranda šį gebėjimą ir tampa labai trapūs.
Užuot patyrusi laipsnišką plastinę deformaciją, korozijos pažeistos medžiagos staigiai lūžta veikiant tempimo apkrovai, pašalinti ankstyvus įspėjamuosius gedimo požymius ir drastiškai padidinti netikėto struktūrinio žlugimo riziką.
Korozijos tipas nustato mechaninių savybių pablogėjimo židinį
Korozija pasireiškia įvairiomis formomis, kiekvienas turi skirtingas pažeidimo charakteristikas ir skirtas skirtingoms mechaninėms medžiagų savybėms.
Trys dažniausiai pasitaikantys korozijos tipai inžinerijos srityse turi skirtingą poveikį tempimo stiprumui ir lankstumui, kaip nurodyta toliau:
- Vienoda korozija: Ši korozijos forma tolygiai atakuoja visą medžiagos paviršių, sukeldamas laipsnišką matricos plonėjimą.
Jo pagrindinis poveikis yra pastovus, tiesinis efektyvios apkrovos srities sumažinimas, dėl ko lėtai, bet nuosekliai mažėja tempiamasis stiprumas.
Nors vienodą koroziją gana lengva aptikti ir numatyti, ilgalaikis poveikis vis tiek sukelia didelį tempimo stiprumo praradimą ir galimą konstrukcijos gedimą. - Lokalizuota korozija: Įskaitant taškinę koroziją, įtrūkimų korozija, ir siūlinė korozija, šio tipo korozija susitelkia ant mažų, atskiros medžiagos paviršiaus sritys, formuojant gilias duobes arba siaurus korozinius tarpus.
Šie defektai veikia kaip kritinės įtampos koncentracijos taškai, ne tik pagreitina vietinio tempiamojo stiprio mažėjimą, bet ir labai pažeidžia plastiškumą, sukuriant iš anksto įtrūkusias zonas.
Lokali korozija taip pat drastiškai sutrumpina medžiagos nuovargio tarnavimo laiką, todėl ji yra linkusi lūžti veikiant ciklinėms tempimo apkrovoms net esant įtempių lygiams, kurie yra daug mažesni už galutinį medžiagos tempimo stiprumą. - Streso korozijos įtrūkimas (SCC): Tai mirtiniausia konstrukcinių medžiagų korozijos forma, atsirandančių kartu veikiant tempimo įtempis (likutinis arba veikiantis) ir ėsdinančią terpę.
SCC sukelia mikroįtrūkimus medžiagos paviršiuje arba viduje, kurios greitai plinta veikiant dvigubai įtempių ir korozijos varomajai jėgai, be didelių plastinių deformacijų.
Šis greitas įtrūkimų augimas sukelia staigų, katastrofiškas tempimo stiprumo ir plastiškumo sumažėjimas, sukelia trapių medžiagų, kurios kitu atveju būtų gerai lankstumo, lūžimą, net esant aplinkos temperatūrai ir normaliam eksploataciniam įtempimui.
SCC yra pagrindinė netikėto slėgio indų gedimo priežastis, Vamzdynai, ir kosmoso komponentai, o jo žala dažnai yra negrįžtama ir sunkiai pastebima iš anksto.
2. Pramoniniai pavojai: Gedimų kaskada dėl korozijos sukelto mechaninių savybių pablogėjimo
Tempimo stiprumo ir lankstumo erozija dėl korozijos tapo nepastebimu „nematomu paslėptu pavojumi“ visuose pramonės sektoriuose., sukelianti tiesioginius ir netiesioginius ekonominius nuostolius pasauliniu mastu, taip pat sunkių saugumo nelaimingų atsitikimų, keliančių grėsmę žmonių gyvybei.
Toli siekiantys korozijos sukeltos mechaninės savybės pablogėjimo pagrindinėse pramonės šakose poveikis yra išsamiai aprašytas toliau.:
Gamybos pramonė: Gamybos prastovos ir komponentų gedimai
Mechaninėje gamyboje, tikslios dalys, Pelėsiai, ir konstrukciniai komponentai priklauso nuo stabilaus tempimo stiprumo ir lankstumo, kad būtų užtikrintas veikimo tikslumas ir laikomoji galia.
Dėl korozijos praradimo tempiamasis stiprumas sukelia tokius komponentus kaip krumpliaračiai, velenai, ir švaistikliai, kad lūžtų arba deformuotųsi veikiant eksploatacinėms apkrovoms, dėl kurių atsiranda neplanuotų gamybos linijos prastovų.
Vidutinėms ir didelėms gamybos įmonėms, kasdieniniai ekonominiai nuostoliai dėl vienos gamybos linijos išjungimo dėl surūdijusių komponentų gali siekti dešimtis tūkstančių JAV dolerių.
Be to, korozijos pažeistų formų trapumas sumažina jų plastines formavimo galimybes, dėl to gaminiai turi trūkumų ir toliau didėja gamybos sąnaudos.
Energetikos ir chemijos pramonė: Nutekėjimai, Sprogimai, ir procesų sutrikimai
Vamzdynai, slėgio indai, Šilumokaičiai, o energijos ir chemijos pramonės akumuliacinės talpyklos veikia atšiaurioje aplinkoje ir aukštoje temperatūroje, aukšto slėgio, ir agresyvios ėsdinančios terpės (Pvz., rūgštus žalias aliejus, cheminiai tirpikliai, ir didelio chlorido sūrymus).
Korozija susilpnina šių svarbių konstrukcijų atsparumą tempimui ir lankstumą: dėl sumažėjusio atsparumo tempimui jie negali atlaikyti vidinio slėgio, o plastiškumo praradimas pašalina jų gebėjimą sugerti slėgio svyravimus dėl plastinių deformacijų.
Šis derinys dažnai sukelia žiniasklaidos nutekėjimą, ir sunkiais atvejais, katastrofiškų sprogimų ir gaisrų.
Tokie incidentai ne tik lemia vertingų žaliavų praradimą ir gamybos prastovą, bet ir sukelia aplinkos taršą bei rimtų aukų., kurių vienos avarijos nuostoliai dažnai viršija milijonus ar net šimtus milijonų JAV dolerių.
Transporto pramonė: Konstrukcijų lūžiai ir grėsmės keleivių saugai
Transporto sektorius, įskaitant automobilių pramonę, Jūrų, geležinkelis, ir aviacija – priklauso nuo konstrukcinių medžiagų, turinčių patikimą atsparumą tempimui ir lankstumą, kad eksploatacijos metu atlaikytų dinamines ir ciklines apkrovas.
Automobilių važiuoklės ir pakabos komponentai, korozijos paveikti kelių druskos ir drėgmės, patiria sumažintą atsparumą tempimui, dėl kurių vairuojant lūžta;
jūrų laivų korpusai ir atviroje jūroje esančių platformų konstrukcijos, veikiamos jūros vandens, kenčia nuo duobių ir plyšių korozijos, kuris pablogina lankstumą ir sukelia trapus korpuso plokščių lūžimą veikiant bangų apkrovoms;
atmosferos teršalų korozijos pažeistos geležinkelio bėgių detalės ir tiltų konstrukcijos praranda laikomąją galią, kelianti grėsmę traukinių eismo saugumui.
Visais šiais atvejais, korozijos sukeltas mechaninių savybių pablogėjimas kelia tiesioginį pavojų keleivių ir įgulos saugumui, ir dėl to kylančios avarijos gelbėjimo ir atstatymo po nelaimės išlaidos yra milžiniškos.
Statyba ir infrastruktūra: Struktūrinis nestabilumas ir per didelės priežiūros išlaidos
Plieninių konstrukcijų tiltai, gamykliniai rėmai, daugiaaukščių pastatų atramos, ir savivaldybės infrastruktūra (Pvz., vandentiekio ir drenažo vamzdynai) yra veikiami atmosferos korozijos, lietaus vandens erozija, ir dirvožemio korozija ilgą laiką.
Dėl korozijos kasmet mažėja plieninių konstrukcijų atsparumas tempimui ir lankstumas: vienoda korozija plonina plienines sijas ir kolonas, sumažinant jų laikomąją galią tempimui, o tarpkristalinė korozija susilpnina ryšį tarp grūdelių, veda prie trapių konstrukcinių dalių lūžimo.
Laikui bėgant, šis degradavimas sukelia struktūrinį nestabilumą, reikalaujančios brangios priežiūros ir sustiprinimo.
Senstanti infrastruktūrai, gali sudaryti korozijos pažeistų konstrukcinių komponentų keitimo išlaidas 30% į 50% visos projekto statybos kainos.
Ekstremaliais atvejais, stipri korozija netgi sukelia tilto griūtį ir pastato konstrukcijos gedimą, sukeliančių neišmatuojamų socialinių ir ekonominių nuostolių.
Aviacijos ir kosmoso pramonė: Tikslumo gedimas ir pavojai skrydžio saugai
Oro erdvės komponentai veikia ekstremaliose aplinkose, įskaitant didelio aukščio atmosferos koroziją, kuro erozija, ir ciklinis šiluminis įtempis, o jų mechaninėms savybėms – ypač atsparumui tempimui ir lankstumui – taikomi griežčiausi reikalavimai.
Netgi nedideli korozijos pažeidimai tikslioms sudedamosioms dalims, pvz., orlaivio variklio mentėms, važiuoklė, ir palydovinės konstrukcinės dalys gali labai pabloginti mechanines savybes:
mažas duobių defektas gali sukelti streso koncentraciją ir sukelti nuovargio lūžį dirbant dideliu greičiu, o įtempių korozijos įtrūkimai gali sukelti staigų komponento gedimą skrydžio metu.
Aviacijos ir kosmoso komponentų gedimas dėl korozijos ne tik praranda brangią įrangą, bet ir kelia tiesioginę grėsmę pilotų ir astronautų saugumui., turinčių didelių pasekmių aviacijos ir kosmoso misijoms ir nacionaliniam saugumui.
3. Išsamios antikorozinės strategijos: Keturios pagrindinės priemonės, skirtos medžiagų mechaninėms savybėms išsaugoti
Norint sumažinti atsparumo tempimui ir plastiškumo pablogėjimą dėl korozijos, reikia taikyti visą gyvavimo ciklą, kuris apima šaltinio prevencija, proceso valdymas, stebėjimas ir priežiūra po operacijos.
Korozinei terpei izoliuoti turi būti sukurta visapusiška antikorozinė sistema, optimizuoti medžiagų pasirinkimą, ir stebėti našumo pokyčius realiu laiku, taip išsaugant mechanines medžiagų savybes ir užtikrinant ilgalaikį stabilų įrenginių ir konstrukcijų veikimą.
Toliau išsamiai aprašytos keturios pagrindinės apsaugos priemonės:
Tikslus medžiagų pasirinkimas: Spręskite korozijos pavojų jos šaltinyje
Medžiagos pasirinkimas yra pati svarbiausia ir ekonomiškiausia antikorozinė priemonė, Tam reikia suderinti medžiagos atsparumą korozijai su konkrečiomis eksploatavimo sąlygomis, įskaitant korozinės terpės tipą, koncentracija, temperatūra, spaudimas, ir drėgmės.
Skirtingoms korozinėms aplinkoms, turėtų būti priimti tiksliniai medžiagų atrankos principai:
- Cheminės gamybos aplinkoje su stipriomis rūgštimis, šarmų, arba oksiduojančios terpės, pasirinkite didelio atsparumo korozijai lydinius, tokius kaip 316L Nerūdijantis plienas, Hastelloy C-276, ir titano lydiniai, kurios sudaro tankų, savaime gyjanti pasyvi plėvelė ant paviršiaus, apsauganti nuo terpės prasiskverbimo.
- Jūroje ir atviroje jūroje, kur yra didelė chlorido jonų koncentracija, naudoti jūros vandeniui atsparų plieną (Pvz., AH36 jūrinis plienas) arba dvipusis nerūdijantis plienas (Pvz., 2205, 2507), kurios pasižymi puikiu atsparumu duobių ir plyšių korozijai.
- Lengvos atmosferos korozijos aplinkoje (Pvz., vidaus pramoninės dirbtuvės, gyvenamieji pastatai), naudoti ekonomišką antikorozinį plieną (Pvz., cinkuoto plieno, dažytas plienas) siekiant subalansuoti apsaugą nuo korozijos ir ekonominį efektyvumą.
Pasirinkus tinkamą medžiagą tinkamam pritaikymui, korozijos sukelto mechaninių savybių pablogėjimo rizika sumažinama nuo pat projektavimo stadijos, pakloti tvirtą pagrindą konstrukcijų saugai.
Paviršiaus apsauga: Suformuokite tankią barjerą, kad atskirtumėte ėsdinančią terpę
Paviršiaus apsaugos technologijos sukuria fizinį ar cheminį barjerą ant medžiagos paviršiaus, metalo matricos izoliavimas nuo korozinių terpių ir korozijos atsiradimo prevencija arba atitolinimas.
Tai plačiausiai inžinerijoje naudojama antikorozinė priemonė, su įvairiomis brandžiomis technologijomis, tinkančiomis skirtingoms medžiagoms ir pritaikymo scenarijams:
- Organinė danga: Užtepkite antikorozinius dažus, epoksidinės dervos danga, arba politetrafluoretilenas (Ptfe) padengiant medžiagos paviršių, kad susidarytų lanksti, tanki organinė plėvelė.
Ši technologija yra nebrangi ir lengvai įgyvendinama, ir plačiai naudojamas plieninėms konstrukcijoms, Vamzdynai, ir mechaniniai komponentai. - Galvanizavimas ir karštasis panardinimas: Naudokite galvanizavimą (cinkavimas, chromavimas, Nikelio danga) arba karštas panirimas (karštasis cinkavimas, karštas aliuminavimas) suformuoti metalinį apsauginį sluoksnį ant medžiagos paviršiaus.
Apsauginis sluoksnis veikia kaip aukos anodas (Pvz., cinkas) kad pati surūdytų ir apsaugotų netauriuosius metalus, arba suformuoja pasyvią plėvelę (Pvz., Chromas) atsispirti vidutinei erozijai. - Cheminis pasyvavimas: Apdorokite nerūdijantį plieną, aliuminio lydiniai, ir kiti metalai su pasyvatoriais (Pvz., Azoto rūgštis, Pasyvatoriai be chromo) kad susidarytų plonas, tanki cheminė pasyvi plėvelė ant paviršiaus, padidina medžiagos atsparumą korozijai.
- Terminis purškimas: Purškiamas išlydytas metalas (Pvz., cinkas, aliuminis) arba keramines medžiagas ant medžiagos paviršiaus aukštoje temperatūroje, kad susidarytų storas, atsparus nusidėvėjimui, ir korozijai atspari danga.
Ši technologija tinka didelėms korozijos sąlygoms, tokioms kaip jūrų platformos ir pramoniniai vamzdynai.
Aplinkos optimizavimas: Valdykite korozinius veiksnius, kad sumažintumėte eroziją
Medžiagų ir konstrukcijų eksploatavimo aplinkos optimizavimas sumažinant arba pašalinant korozinius veiksnius yra veiksminga papildoma priemonė pasirenkant medžiagas ir paviršių apsaugą..
Ši priemonė skirta pagrindinei korozijos priežasčiai ir ypač tinka pramoninėms gamybos vietoms ir stacionariai infrastruktūrai:
- Pramoninėse dirbtuvėse, įrengti išmetamųjų dujų apdorojimo įrangą rūgštims pašalinti, šarminis, ir sulfidų turinčios išmetamosios dujos, ir naudokite sausinimo sistemas, kad valdytumėte toliau esančią aplinkos drėgmę 60%, atmosferos korozijos mažinimas.
- Jūrinėje ir atviroje jūroje aplinkoje, pridėkite korozijos inhibitorių į aušinimo vandens ir jūros vandens kontaktines sistemas, kad sulėtintumėte medžiagų korozijos greitį,
ir reguliariai nuplaukite konstrukcinius paviršius gėlu vandeniu, kad pašalintumėte druskos nuosėdas ir chlorido jonus. - Chemijos gamybos procesuose, išvalykite proceso terpę, kad sumažintumėte korozinių priemaišų kiekį (Pvz., chlorido jonai, sulfidai), ir naudokite inertinių dujų apsaugą pagrindinei įrangai, kad izoliuotų korozinę terpę ir deguonį.
- Dirvožemio aplinkoje, naudokite antikorozines vyniojimo medžiagas palaidotiems vamzdynams ir pakeiskite korozinį gruntą neutraliu užpildu, kad sumažintumėte dirvožemio koroziją.
Reguliarus stebėjimas ir priežiūra: Anksti aptikkite defektus ir venkite „eksploatavimo su defektais“
Korozija yra progresuojantis procesas, o reguliarus stebėjimas ir savalaikė priežiūra leidžia anksti nustatyti korozijos pažeidimus, įvertinti mechaninių savybių pablogėjimo laipsnį,
ir imtis taisomųjų priemonių prieš įvykstant gedimui, kad būtų išvengta „darbo su defektais“ ir staigaus konstrukcijos gedimo rizikos..
Mokslinės stebėsenos ir priežiūros sistema apima šiuos pagrindinius veiksmus:
- Neardomasis bandymas (Ndt): Naudokite ultragarsinį tyrimą (UT) išmatuoti korozijos pažeistų medžiagų storį ir įvertinti efektyviojo laikančiojo ploto sumažėjimą;
naudokite skysčio prasiskverbimo testą (Pt) ir magnetinių dalelių bandymai (MT) aptikti paviršiaus ir paviršinio paviršiaus korozijos įtrūkimus ir duobių defektus; naudokite sūkurinės srovės testavimą (ET) spalvotųjų metalų komponentų neardomiesiems bandymams.
NDT leidžia neinvaziškai įvertinti korozijos žalą ir mechaninį savybių pablogėjimą, teikiantis mokslinį pagrindą sprendimams dėl išlaikymo. - Nuolatinis korozijos stebėjimas: Įdiekite internetinę korozijos stebėjimo įrangą (Pvz., korozijos kuponai,
elektrocheminiai korozijos jutikliai) apie pagrindinę įrangą ir konstrukcijas, kad būtų galima stebėti korozijos greitį realiuoju laiku ir iš anksto įspėti, kai korozijos greitis viršija saugią ribą. - Sudarykite priežiūros įrašus: Sukurkite išsamią įrangos techninės priežiūros žurnalą, kad įrašytumėte korozijos būseną, testavimo rezultatai, ir kiekvieno komponento priežiūros priemones, medžiagų mechaninių savybių pokyčių per tarnavimo laiką sekimas.
- Savalaikis pakeitimas ir sustiprinimas: Komponentams su stipria korozija ir dideliu mechaninių savybių pablogėjimu (Pvz., tempiamasis stipris sumažėjo daugiau nei 30%),
laiku juos pakeisti; dalinai korozijuotiems konstrukciniams komponentams, naudokite sustiprinimo priemones, pvz., pridėkite standiklius ir apvyniokite antikorozinius sluoksnius, kad atkurtumėte jų laikomąją galią.
4. Išvados
Korozija nėra tik kosmetinė paviršiaus problema – tai struktūrinis pavojus, mažinantis tempimo stiprumą, ardo plastiškumą ir plastiškumo gedimus paverčia trapiais, staigūs lūžiai.
Kiekybiškai, vidutinio sunkumo ar stipri korozija paprastai sumažina tempimo stiprumą dešimtimis procentų ir sumažina plastiškumą panašiomis arba didesnėmis frakcijomis; nuovargis ir likęs tarnavimo laikas gali katastrofiškai sumažėti dėl lokalizuotų priepuolių.
Vienintelė patikima gynyba yra integruota teisingo medžiagų parinkimo programa, inžinerinė apsauga, aplinkos kontrolė, eilinė apžiūra ir savalaikė priežiūra arba pakeitimas.
Saugumui svarbioms sistemoms, konservatyvios dizaino paraštės, būtini dažni stebėjimai ir dokumentais pagrįsti tinkamumo naudoti vertinimai.
