Методика для досліджень особливостей взаємодії деформованих поверхонь металу трубопроводів з воденьвмісними середовищами

І. М. Дмитрах; А. М. Сиротюк; Р. Л. Лещак; О. Л. Лутицький

Автор(и)

І. М. Дмитрах Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, 79060, м. Львів, вул. Наукова, 5, тел. (032) 2631400
А. М. Сиротюк Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, 79060, м. Львів, вул. Наукова, 5, тел. (032) 2631400
Р. Л. Лещак Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, 79060, м. Львів, вул. Наукова, 5, тел. (032) 2631400
О. Л. Лутицький Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, 79060, м. Львів, вул. Наукова, 5, тел. (032) 2631400

Ключові слова:

трубопровідні сталі; водневе окрихчення матеріалу; наводнювання металу; катодна поляризація; об’ємна концентрація водню; механічне навантаження.

Анотація

Запропоновано нову методику та технічні засоби для досліджень особливостей наводнювання та визначення
об’ємної концентрації водню у трубопровідних сталях, яка базується на використанні динамічної електрохімічної
лабораторії VoltaLab40 виробництва Radiometer Analytical SAS (Франція).
Досліджувався процес наводнюванню конструкційних сталей трубопроводів, що використовуються
для транспортування воденьвмісних продуктів, під якими розуміється, в першу чергу, газоподібний водень,
а також потенційно воденьвмісні середовища, тобто такі, які за певних умов у разі взаємодії з деформованим
металом можуть виділяти водень як продукт відповідних фізико-хімічних реакцій (наприклад, водні
середовища, нафтопродукти тощо).
Запропонована методика має ряд особливостей. В першу чергу це моделювання ситуації вільно кородуючої
системи, яка відображає процес наводнюванню досліджуваних конструкційних сталей у реальних
умовах експлуатації. Оскільки досягти стабільних (усталених) умов наводнювання при потенціалі корозії
складно, було використано наступну процедуру. Спочатку зразки наводнювали за деякого постійного потенціалу
поляризації Ecath = const, який є дещо негативніший, ніж потенціал вільної корозії для даної сталі.
Після цього наводнений метал окислювали в 0,2 M розчині NaOH (pH 12,4) за анодного потенціалу
Eanodic = +168 мВ (SCE) впродовж визначеного проміжку часу τdis , і на підставі одержаної кривої розраховували
загальну кількість абсорбованого металом водню.
Приклад реалізації запропонованої методики проілюстровано на зразках зі сталі 20. Дослідження проведено
у спеціальному водному розчині NS4, що моделює підземні води в умовах нейтральних ґрунтів
(pH 6,7).
Наведено опис розробленої методики та технічних засобів для дослідження процесів наводнювання
конструкційних сталей. Запропоновано та апробовано нові спеціальні зразки для досліджень наводнювання
металу в умовах прикладення механічних напружень розтягу σ = σexp , які виникають в стінці труби під час
її експлуатації з внутрішнім тиском pexp .

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

1 Корозійно-воднева деградація нафтових і
газових трубопроводів та її запобігання [Текст]:
наук.-техн. посіб.: у 3-х томах / Є.І. Крижанівський,
Г.М. Никифорчин; за ред. В.В. Панасюка.
– Т. 2: Деградація нафтопроводів і резервуарів
та її запобігання. – Івано-Франківськ:
вид-во Івано-Франківського національного технічного
університету нафти і газу, 2011. – 447 с.
2 Корозійно-воднева деградація нафтових і
газових трубопроводів та її запобігання [Текст]:
наук.-техн. посіб.: у 3-х томах / Є.І. Крижанівський,
Г.М. Никифорчин; за ред. В.В. Панасюка.
– Т. 3: Деградація газопроводів та її запобігання.
– Івано-Франківськ: вид-во ІваноФранківського
національного технічного університету
нафти і газу, 2012. – 433 с.
3 Радкевич О.І. Пошкодження металу промислових
трубопроводів у сірководневому середовищі
/ О.І. Радкевич, Г.В. Чумало // Фізико-хімічна
механіка матеріалів. – 2003. – Т. 39,
№ 4. – С. 112–114.
4 Слободян З.В. Корозійна тривкість трубної
сталі у нафто-водних середовищах /
З.В. Слободян, Г.М. Никифорчин, О.І. Петрущак
// Фізико-хімічна механіка матеріалів. –
2002. – Т. 38, № 3. – С. 93–96.
5 Цирульник О.Т. Експлуатаційне окрихчення
сталі магістрального нафтопроводу /
О.Т. Цирульник, Г.М. Никифорчин, О.І. Звірко
[та ін.] // Фізико-хімічна механіка матеріалів. –
2004. – Т. 40, № 2. – С. 125–126.
6 Zagórski A. Corrosion and stress corrosion
cracking of exploited storage tank steel /
A. Zagórski, H. Matysiak, O. Tsyrulnyk [et al.] //
Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 2004. –
Т. 40, № 3. – С. 113–117.
7 Корозійно-воднева деградація нафтових і
газових трубопроводів та її запобігання [Текст]:
наук.-техн. посіб.: у 3-х томах / Є.І. Крижанівський,
Г.М. Никифорчин; за ред. В.В. Панасюка.
– Т. 1: Основи оцінювання деградації
трубопроводів. – Івано-Франківськ: вид-во Івано-Франківського
національного технічного
університету нафти і газу, 2011. – 457 с.
8 Hanneken J.W. Hydrogen in metals and
other materials: a comprehensive reference to
books, bibliographies, workshops and conferences
/ John W. Hanneken // International Journal of
Hydrogen Energy. – 1999. – V. 24, Is. 10. –
P. 1005–1026.
9 Gadgil V.J. Effect of hydrogen on mechanical
behaviour / V.J. Gadgil // Materials Ageing and
Life Management (ISOMALM 2000): International
Symposium, 3-6 Oct. 2000: Proceedings. –
Kalpakkam (India): Allied Publishers Limited,
2000. – P. 1039–1044.
10 Carter T.J. Hydrogen in metals /
T.J. Carter, L.A. Cornish // Engineering Failure
Analysis. – 2001. – V. 8, Is. 2. – P. 113–121.
11 Katz Y. Nanomechanical probes as new
approaches to hydrogen/deformation interaction
studies / Y. Katz, N. Tymiak, W.W. Gerberich //
Engineering Fracture Mechanics. – 2001. – V. 68,
Is. 6. – P. 619–646.
12 Швачко В.І. Оборотна воднева крихкість
ОЦК-сплавів заліза – конструкційних сталей:
автореф. дис. на здобуття наук. ступеня дра
техн. наук: спец. 01.04.13 „Фізика металів” /
В.І. Швачко. – Харків, 2002. – 35 с.
13 Delafosse D. Dislocation-hydrogen interactions
during stress corrosion cracking in FCC
metals: experiments on single crystals and numerical
simulations / D. Delafosse, J.-P. Chateau,
A. Chambreuil, T. Magnin // Materials Science and
Engineering: A. – 1997. – V. 234–236. – P. 889–
892.
14 Lufrano J. Enhanced hydrogen concentrations
ahead of rounded notches and crackscompetition
between plastic strain and hydrostatic
stress / J. Lufrano, P. Sofronis // Acta Materialia. –
1998. – V. 46, Is. 5. – P. 1519–1526.
15 Sofronis P. Interaction of local elastoplasticity
with hydrogen: embrittlement effects /
P. Sofronis, J. Lufrano // Materials Science and
Engineering: A. – 1999. – V. 260, Is. 1–2. – P. 41–47.
16 Yokobori A.T. Numerical analysis on
hydrogen diffusion and concentration in solid with
emission around the crack tip / A. Toshimitsu
Yokobori Jr, Takenao Nemoto, Koji Satoh,
Tetsuya Yamada // Engineering Fracture Mechanics.
– 1996. – V. 55, Is. 1. – P. 47–60.
17 Chang T.L. Influence of gaseous hydrogen
on the notched tensile strength of D6ac steel /
T.L. Chang, L.W. Tsay, C. Chen // Materials
Science and Engineering: A. – 2001. – V. 316,
Is. 1–2. – P. 153–160.
18 Eliezer D. Positive effects of hydrogen in
metals / D. Eliezer, N. Eliaz, O.N. Senkov,
F.H. Froes // Materials Science and Engineering:
A. – 2000. – V. 280, Is. 1. – P. 220–224.
19 Takasugi T. The effects of partial pressure
and strain rate on water vapor- and hydrogen gasinduced
embrittlement of Co3Ti alloys /
T. Takasugi, A. Kimura, T. Sugimoto, H. Saitoh,
T. Misawa // Acta Materialia. – 1997. – V. 45,
Is. 11. – P. 4765–4773.
20 Azevedo C.R.F. Failure analysis of a crude
oil pipeline / Cesar R.F. Azevedo // Engineering
Failure Analysis. – 2007. – V. 14, Is. 6. – P. 978–
994.
21 Cheng Y.F. Analysis of electrochemical
hydrogen permeation through X-65 pipeline steel
and its implications on pipeline stress corrosion
cracking / Y.F. Cheng // International Journal of
Hydrogen Energy. – 2007. – V. 32, Is. 9. –
P. 1269–1276.
22 Cheng Y.F. Fundamentals of hydrogen evolution
reaction and its implications on near-neutral
pH stress corrosion cracking of pipelines /
Y.F. Cheng // Electrochimica Acta. – 2007. – V. 52,
Is. 7. – P. 2661–2667.
23 Cheng Y.F. Mechanism for hydrogen evolution
reaction on pipeline steel in near-neutral pH
solution / Y.F. Cheng, L. Niu // Electrochemistry
Communications. – 2007. – V. 9, Is. 4. – P. 558–
562.
24 Yan M. Study on hydrogen absorption of
pipeline steel under cathodic charging / Maocheng
Yan, Yongji Weng // Corrosion Science. – 2006. –
V. 48, Is. 2. – P. 432–444.
25 Dey S. Hydrogen entry into pipeline steel
under freely corroding conditions in two corroding
media / S. Dey, A. K. Mandhyan, S. K. Sondhi,
I. Chattoraj // Corrosion Science. – 2006. – V. 48,
Is. 9. – P. 2676–2688.
26 Capelle J. Sensitivity of pipelines with
steel API X52 to hydrogen embrittlement /
J. Capelle, J. Gilgert, I. Dmytrakh, G. Pluvinage //
International Journal of Hydrogen Energy. –
2008. – V. 33, Is. 24. – P. 7630–7641.
27 Дмитрах І.М. Проблеми міцності матеріалів
для систем транспортування водню
[Текст] / І.М. Дмитрах, Г.М. Никифорчин,
А.М. Сиротюк та ін. // Фундаментальні проблеми
водневої енергетики / І.Л. Андрійчук,
В.В. Березовець, О.Л. Білий та ін.; за ред.
В.Д. Походенка, В.В. Скорохода,
Ю.М. Солоніна. – К.: КІМ, 2010. – С. 309 – 323.
28 VoltaLab 40 (PGZ301 & VoltaMaster 4).
Dynamic Electrochemical Laboratory. Instruction.
– Radiometer Analytical, 2009. – 125 р.
29 Методы испытаний на растяжение
(ISO 6892–84): ГОСТ 1497–84. – [Действителен
с 01.01.86]. – М.: Издательство стандартов,
1985. – 22 с. – (Государственный стандарт
СССР).
30 Кислородомер АЖА-101М. Инструкция
эксплуатирования. – Минск (Белоруссия): ООО
„Антех”, 2005. – 37 с.