CC BY
83
Овчинников Илья Игоревич
Ovchinnikov Ilya Igorevich доцент кафедры «Транспортное строительство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
associate professor
"Transport construction" Saratov state technical university of a name of Gagarin Yu.A.
Доцент Associate Professor Кандидат технических наук E-Mail: [email protected]
05.23.17 Строительная механика
Деформирование и разрушение материалов в водородосодержащей среде, диффузионные характеристики которой зависят от напряженного состояния
Deformation and destruction of materials in the hydrogenous environment which diffusive characteristics depend on a tension
Аннотация: В статье рассмотрено построение модели деформирования и
замедленного разрушения материалов, подвергающихся низкотемпературному наводороживанию, учитывающей появление наведенной анизотропии и неоднородности механических свойств. Учитывается влияние схемы напряженного состояния как на механические, так и на диффузионные характеристики материалов.
The Abstract: In article creation of model of deformation and the slowed-down destruction of the materials which are exposed to a low-temperature hydrogenation, the induced anisotropy considering emergence and heterogeneity of mechanical properties is considered. Influence of the scheme of a tension both on mechanical, and on diffusive characteristics of materials is considered.
Ключевые слова: Водород, неоднородность, деградация, длительная прочность, ползучесть, долговечность, водородная коррозия.
Keywords: Hydrogen, heterogeneity, degradation, long-term strength, creep, durability, hydrogen attack.
***
Данная работа выполнена в рамках работы над грантом РФФИ № 12-01-31130 Мол а
«Нелинейные модели деформирования и методы определения долговечности
элементов конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами и полями»
Введение
Водородсодержащая среда является фактором, оказывающим деструктирующее воздействие на материалы и конструкции. Причем водород может действовать на конструкции как при высоких температурах и давлениях, так и при нормальных температурах, которые условно называют низкими.
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Водород при высоких температурах и давлениях в процессе взаимодействия с материалом конструкций может вызвать так называемую водородную коррозию, при которой происходит обезуглероживание части сечения, приводящее к снижению и кратковременных (предел прочности, модуль упругости, диаграмма деформирования, коэффициент поперечной деформации) и длительных (кривые ползучести, длительной прочности, предел пластичности, предельная деформация) характеристик. В результате в конструкциях изменяется напряжённо-деформированное состояние, снижается их долговечность. Обзор
экспериментальных данных по влиянию водорода высоких температур приведен в статье [1]. К настоящему времени разработан ряд моделей деформирования и разрушения конструкций в условиях высокотемпературной водородной коррозии, обзор и анализ которых содержится в публикациях [2-4].
В отличие от высокотемпературного водорода, водород при низких температурах оказывает избирательное воздействие на материал конструкций так, что механические свойства не изменяются в сжатых зонах, но изменяются в растянутых, причем величина изменения зависит и от концентрации водорода, и от схемы напряженного состояния в рассматриваемой точке. При одной и той же схеме напряженного состояния большая концентрация водорода вызывает более сильное изменение механических свойств, а при одной и той же концентрации водорода более жесткая схема напряженного состояния вызывает значительное изменение механических свойств.
Обзор и анализ экспериментальных данных по влиянию низкотемпературного наводороживания на механические характеристики материалов, вызывающего коррозионное растрескивание, приведен в работах [5-6].
Анализ показывает, что возможны следующие случаи взаимодействия водорода с металлами:
- во время электрохимических процессов при невысоких температурах, когда атомы водорода адсорбируются на поверхности конструкций и поглощаются металлом (по такому механизму происходит наводороживания при травлении, обезжиривании, нанесении гальванических покрытий);
- во время коррозии, когда происходит химическое освобождение водорода, проникающего затем в металл;
- при непосредственном контакте водорода или водородсодержащих сред с металлом, когда водород проникает в металл под собственным давлением (известны многочисленные аварии на нефтепромыслах, связанных с добычей нефти с большим содержанием водорода, которые приводили к огромным материальным затратам, а иногда и человеческим жертвам).
Такое отрицательное воздействие водорода на механические характеристики металлов приводит к необходимости учета этого воздействия при проектировании и расчете конструкций; в результате будет обеспечена безопасная работа конструкций, будут найдены более эффективные решения для рассматриваемых условий, будет предотвращаться загрязнение окружающей среды.
К настоящему времени разработан ряд моделей для расчета конструкций, подвергающихся наводороживанию.
Б.Ф. Юрайдо [10] предложена методика расчета цилиндрического сосуда с учетом влияния водорода, вида напряженного состояния и температуры на пластичность металла.
В работе [7] построена модель водородного воздействия, учитывающая влияние водорода на растянутую зону конструкции с зависимостью механических свойств от концентрации водорода. В статье [8] предложена модель взаимодействия конструкций с
водородсодержащей средой с учетом влияния не только знака, но и схемы напряженного состояния на кинетику изменения свойств конструкции при взаимодействии с водородом. Трещевым А.А. [9] предложена Теория пластичности материалов, подвергающихся
водородному охрупчиванию, приводящему к появлению разносопротивляемости материалов.
Во всех указанных работах предприняты попытки учесть влияние концентрации водорода и схемы напряженного состояния на изменение свойств материалов, но не учтено влияние напряженного состояние на проникание водорода в объем конструкции.
1. Построение модели деформирования и разрушения материалов, подвергающихся наводороживанию
При построении моделей следует учитывать следующие эффекты взаимодействия конструкций с водородом:
- водород проникает в конструкцию по механизму активированной диффузии, причем имеет место диффузия водорода в зоны с преобладанием компонентов растяжения и возможен отсос водорода из зон с преобладанием компонентов сжатия, то есть схема напряженного состояния влияет на кинетику наводороживания;
- проникший в металл водород приводит с снижению его прочности и пластичности в зависимости от концентрации водорода, причем изменение механических свойств зависит от концентрации водорода и не зависит от характера наводороживающей операции;
- вид и уровень напряженного состояния влияют на взаимодействие металла с водородом так, что при преобладании компонентов сжатия металл и после интенсивного наводороживания сохраняет свои свойства, а при преобладании компонентов растяжения прочностные и пластические свойства снижаются, причем с ужесточением схемы напряженного состояния изменения свойств проявляется значительнее.
Для построения моделей деформирования и разрушения конструкций, подвергающихся наводороживанию, используется подход, основанный на рассмотрении системы моделей [11]: модели проникания водорода, модели деформирования материала, модели наступления предельного состояния, модели конструктивного элемента.
1.1. Модель проникания водорода в материал конструкции
Кинетика проникания водорода в конструкцию описывается уравнением диффузии
вида:
= &р(ОдгайС) (1)
с соответствующими начальными и граничными условиями [12]. Здесь Б -
коэффициент диффузии, являющийся функцией локальных параметров - концентрации С и
температуры Т, ^ - время.
Для учета влияния напряженно-деформированного состояния на
водородопроницаемость используются различные подходы.
В работе [13] процесс диффузии водорода в поле упругих напряжений предложено описывать уравнением:
£ = ОТ2С-(^)7С7М^)С72°<Ь (2)
где Ун - парциальный молярный объем водорода, а = (ах + ау + а2)/3 - среднее
напряжение, Я - газовая постоянная. Равновесная концентрация водорода Сд в полу упругих
напряжений а0 определяется выражением:
Сд = С0 ехр (%““)> (3)
где С0 - равновесная концентрация водорода при отсутствии поля напряжений.
В (2) последние два члена учитывают направленную диффузию водорода в зоны с преобладанием компонент растяжения (а0 >0) и отсос водорода из зон с преобладанием компонент сжатия (а0 < 0). К (3) следует присоединить соответствующие начальное и граничные условия.
Другой подход к учету влияния напряженного состояния на проникание водорода заключается в предположении, что коэффициент диффузии водорода Б и предельное водородопоглощение С* являются функциями специального безразмерного параметра:
+ = —, (4)
характеризующего схему напряженного состояния, а.- интенсивность напряжений.
Значения параметра £ для некоторых схем напряженного состояния приведены в табл.
1.
Таблица 1
Схема Двухо Одноо Сдвиг Одноо Двухо
напряженного сное сжатие сное сжатие сное сное
состояния растяжение растяжение
5 -2 -1 0 +1 +2
Выражения для Б и С* принимаются в виде:
О = О0(1 + а+2), (5)
С* = С(1+5+!), (6)
где О0 и С*0 - значения О и С* в ненапряженном состоянии, а, 7,5,8 - коэффициенты.
В этом случае уравнение (1) принимает вид:
С
—]) (7)
1.2. Модель деформирования материала с учетом влияния наводороживания
Для построения модели применим деформационную теорию А.А. Ильюшина, основные гипотезы которой скорректированы для учета влияния водорода:
Гипотеза 1: Шаровой тензор деформаций пропорционален шаровому тензору
напряжений, а коэффициент пропорциональности является функцией параметра £ и
концентрации водорода С:
а-0 = ?(+,С)3£0, (8)
где @0 - средняя деформация, ?(+, С) — объемный модуль упругости.
?(+,С)={к1(К+0,^+>+0 • (9)
+ < +0 - значение параметра Б, соответствующее схеме напряженного состояния с преобладанием компонентов сжатия, при которой начинается деградация свойств металла под влиянием водорода.
Гипотеза 2: В каждой точке тела девиатор напряжений прямо пропорционален девиатору деформаций, в скалярной форме записывается так:
2 аи (@ @) _ аи _
ах а0 3 @ (@х @0); Тху з@ уху,
3 3@и
ах — а, = “(@у — @0); [у2=,\уу2, (10)
а2 — а0 = ~ (£2 — @0); т2х = Угх.
где ах, ах, аг, Тху, Туг, Тгх — компоненты тензра напряжений, @х, @у, @г, Уху ,Ууг> Угх-
компоненты тензора деформаций.
Гипотеза 3. Принимается, что интенсивность напряжений аи является функцией интенсивности деформаций £и, параметра схемы напряженного состояния Б и концентрации водорода С:
аи = С(@и,+,С) (13)
причем эта функция имеет вид:
с(@ + Л) — 1 с0(@и); + и +0
С(@и'+Л) —1<Сі(@и,+,С),+ >+о
(14)
Очевидно для определения функций С0(@и) и С1(@и,+, С) нужны экспериментальные кривые деформирования металла при разных схемах напряженного состояния Б и концентрации водорода С в образцах.
В частном случае можно принять:
С1(£и,+,С) = С0(@и) • У (Б,С), (15)
где С0(@и) - функция, аппроксимирующая кривую деформирования материала при £ <
£о, а функция влияния схемы напряженного состояния и концентрации водорода у(Б,С)
задается в виде:
( 1 при + < +0
у(Б,С) (ехр[—^С“(+—+0)ь], при + >+0 (16)
Здесь к, а, Ь - некоторые константы.
Вид функции у(Б,С) в форме (16) был предложен в работе [8] на основе анализа экспериментальных данных по влиянию схемы напряженного состояния и концентрации водорода на механические свойства материалов.
1.3. Модель наступления предельного состояния
Большое внимание задаче построения моделей предельного состояния конструкций в условиях наводороживания уделено А.А. Трещевым [9]. Мы при построении модели предельного состояния будем учитывать тот экспериментально наблюдаемый факт, что
материал, находящийся в пластичном состоянии до наводороживания под влиянием водорода охрупчивается. Для учета этого эффекта введем параметр охрупчивания:
а+,С) = ав(+,С)/а° , (17)
представляющий собой отношение предела прочности материала после водородного воздействия ав(+, С) к исходному пределу прочности а^° ненаводороженного материала.
При отсутствии водородного воздействия ав(+, С) = а^° и параметр охрупчивания £=1. При действии водорода на напряженный материал происходит уменьшение ав(+, С) и параметр ^ уменьшается.
По аналогии с (15) можно принять:
ав(+,С) = а£^(+,С), (18)
где у(Б,С) - функция влияния вида (16).
Условие прочности материала, подвергающегося наводороживани. Примем в форме:
а^ + (1 — <Г)а1<ав(+,С), (19)
Видно, что при ^=1 условие (19) превращается в условие прочности пластичного
материала а. < а£, а при водородном охрупчивании по мере уменьшения параметра (
включается второе слагаемое в условии (19), отражая процесс водородного охрупчивания. Принимая во внимание (17) выражение (19) можно преобразовать к виду:
а. + (1 — 1)а1 < а£, (20)
Если, наконец, учесть (18) и (16), то окончательно условие прочности запишется в
виде:
а. < аЦ при + < +0 (21)
а. + {ехр[^С“(+ — +0)ь] — 1}а1 < а^ при + > +0
1.4. Модель замедленного разрушения металлов в среде водорода
Под замедленным разрушением конструкций в условиях водородного воздействия будем понимать процесс накопления дисперсных повреждений, кинетика которого определяется схемой напряженного состояния и концентрацией водорода.
При моделировании замедленного разрушения в водороде будем полагать справедливым следующие гипотезы:
а) влияние водорода на механические свойства металлов одинаковы как при кратковременном, так и при длительном нагружении;
б) в случае преобладания компонентов сжатия (+ < +0) металл сохраняет свои длительные свойства независимо от концентрации водорода;
в) в случае преобладания компонентов растяжения (+ > +0) длительные механические свойства под влиянием водорода снижаются, причем степень снижения возрастает с увеличением жесткости схемы напряженного состояния Б и концентрации водорода С.
Для описания кинетики замедленного разрушения можно использовать либо подход Л.М.Качанова, основанный на использовании параметра сплошности ^, либо подход Ю.Н.Работнова, основанный на использовании параметра поврежденности П, либо подход
А.Р.Ржаницына, основанный на использовании понятия мгновенной прочности
материала Я [14].
Так как в процессе взаимодействия металла конструкций с водородом происходит изменение механических свойств, приводящее к изменению напряженно-деформированного состояния конструкции, то для описания замедленного разрушения логично использовать модель накопления повреждений В.В. Москвитина [15], которая пригодна для случаев как стационарного, так и нестационарного напряженного состояния.
Модель В. В. Москвитина применительно к случаю замедленного разрушения металла в водороде имеет вид:
П = — Г^^аэСО.+СО, С(т)]йт, (22)
Функция ^[аэ, +, С] в этом уравнении может быть принята в виде:
Г С /"'1 Ш(>,=)и1
^[аЭ,+, С] = ,ш(5,С) + 1( ) (23)
(%э)
причем зависимость времени до разрушения 1р от эквивалентного напряжения (кривая длительной прочности) аппроксимируется следующей функцией:
Рр(аэ) = (24)
%э
Подставляя (23) с учетом (24) в (22) запишем:
П = ^ [Ш(>'С) + 1]%Э------] (р — Г)Ш(5,С) ^ (25)
П °0 Г{(>.=)+1]Гт(;’с)+1] (Р 1 ) aт, (25)
Как видно, влияние водородного воздействия учитывается через зависимость
коэффициентов А, Ь, т от параметра схемы напряженного состояния Б и концентрации
водорода С.
В случае преобладания компонентов сжатия (+ < +0) уравнение (25) упрощается и приводится к виду:
го +1 Ь0(ш0 + 1) (
П = {Г0+1/0СаЭ’о(Шо+1)(С — Г)г<^т, (26)
{о
где коэффициенты A0, Ь0, m0 соответствуют металлу в ненаводороженном состоянии.
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
ЛИТЕРАТУРА
1. Овчинников И.И., Овчинников И.Г. Влияние водородсодержащей среды при высоких температурах и давлениях на поведение металлов и конструкций из них // Интернет-журнал «Науковедение», 2012, №4. http://naukovedenie.ru/PDF/60tvn412.pdf. -М. С. 1-28.
2. Бубнов А.А., Бубнов С.А., Овчинников И.И. Моделирование напряженного состояния и разрушения толстостенных трубопроводов в условиях водородной коррозии и неоднородного теплового поля. М. Горячая линия - Телеком. 2011. 135 с.(монография).
3. Бубнов С. А,, Овчинников И.И., Бубнов А. А. Исследование разрушения и кинетики обезуглероживания толстостенной трубы в условиях водородной коррозии// Вестн. Сам. Г ос. Техн. Ун-та. 2012. №1 (26). С. 1-9.
4. Овчинников И.И. Напряженно - деформированное состояние и долговечность толстостенного трубопровода в условиях воздействия неоднородного теплового поля и водородной коррозии//Строительная механика и расчет сооружений. 2012. №4. с. 16-20.
5. Кабанин В.В., Мавзовин В.С., Овчинников И.И., Мавзовина С.Н. Моделирование коррозионного растрескивания оболочечных конструкций. Саратов. Изд-во СГУ. 2006. 124 с.
6. Овчинников И. И. Исследование поведения оболочечных конструкций, эксплуатирующихся в средах, вызывающих коррозионное растрескивание // Интернет-журнал «Науковедение», 2012, №4. http://naukovedenie.ru/PDF/38tvn412.pdf. -М. С. 1-30.
7. Кириллова Л.А., Овчинников И.Г. О деформировании гибкой круглой пластины из материала, чувствительного к водородному воздействию. Сарат. Политехн. Ин-т. Саратов, 1989. Рукопись деп. В ВИНИТИ 7.02.90. №698-В90.
8. Овчинников И.Г., Рассада А. Б. Модель взаимодействия нагруженных элементов конструкций с водородсодержащей средой и ее приложения // Прикладные проблемы прочности и устойчивости деформируемых систем в агрессивных средах. Сарат. Политех. инт. Саратов, 1989. С.12-16.
9. Полтавец П.А., Трещев А.А. К теории пластичности материалов, подверженных водородному охрупчиванию // Известия ВУЗов. Строительство. 2006. №1 (565). С. 18-23.
10. Юрайдо Б.Ф. К расчету статической несущей способности цилиндрического элемента сосуда, находящегося под внутренним давлением водорода // Исследования по механике деформируемых сред. Иркутск. Изд-во ИПИ. 1982. С. 136-139.
11. Овчинников И.И., Мигунов В.Н. Применение теории структурных параметров к моделированию взаимодействия железобетонных элементов конструкций транспортных сооружений с агрессивными средами// Дороги и мосты. М. Росдорнии. 2012. Вып.27.
12. Лыков А.В. Теплообмен. Справочник. М.: Энергия. 1978. 479 с.
13. Akhurst K.N., baker T.I. The threshold stress intensity for hydrogen-induced crack growth. J.Met.Trans, 1981. A12. P.1059-1070.
14. Овчинников И. И. Моделирование коррозионного растрескивания предварительно напряженной арматуры с использованием теории длительной прочности А.Р. Ржаницына // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2009, №2, с.19-24.
15. Москвитин В.В. Сопротивление вязкоупругих материалов (применительно) к зарядам ракетных двигателей на твердом топливе. М. Наука. 1972. 328 с.
Рецензент: Петров Владилен Васильевич, заведующий кафедрой «Теория сооружений и строительных конструкций» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., академик РААСН, д-р. техн. наук, профессор
