Соединения труб из сплавов на основе железа с функцией памяти формы позволяют избежать коррозионного разрушения углеродистых стальных труб под действием напряжений

Thread Content

Соединения из сплавов на основе железа с функцией памяти формы позволяют избежать коррозионного разрушения труб из углеродистой стали под действием щелочей. 1. Обзор. В нефтеперерабатывающем заводе одной из нефтехимических компаний трубопроводы для транспортировки щелочей используются для подачи растворов с концентрацией 30–40% в производственные установки. Материалом труб является углеродистая сталь; соединения между трубами осуществляются путем сварки. Рабочее давление составляет 0,6–0,7 МПа; режим работы – периодический. В зимний период для обогрева требуется использовать пар под давлением 0,3 Мпа. Из-за высокой температуры щелочного раствора возникают трещины в местах соединения труб, что приводит к частым утечкам раствора и создает серьезные трудности в производстве. В то же время просачивающаяся щелочь разрушает другие трубопроводы, что приводит к высоким расходам на ремонт каждый год. Эта проблема оставалась нерешенной в течение 94 лет. 2. Анализ причин коррозии У обычной углеродистой стали в щелочной среде образуется поверхностный слой, состоящий в основном из Fe₃O₄ или Fe₂O₃. Кроме того, на границах кристаллов выделяются карбиды и нитриды, что делает поверхностный слой на этих границах нестабильным и способствует его растворению. Под действием внешних напряжений возникают трещины на границах кристаллов, что приводит к селективному растворению образовавшегося железа в виде FeO2 и тем самым к коррозии под действием напряжений. 　　У углеродистой стали может возникнуть химическая крехкость во всех диапазонах концентрации раствора NaOH выше 5%, причем наиболее опасной является концентрация около 30%. Наименьшая температура, при которой может произойти химическая крехкость, составляет 50°C; она наиболее часто возникает в условиях высоких температур близко к температуре кипения. См. рисунок 1. 　　В процессе эксплуатации труб, летом или когда трубы не нагреваются, щелочной раствор с концентрацией 30–40% не вызывает явления хрупкости из-за воздействия щелочи ； А зимой, при нагреве труб, когда температура превышает 50°C, а концентрация щелочи остается на уровне 30–40%, происходит хрупкость из-за щелочи, поскольку в реальности температура в щелочных трубах при нагреве часто превышает 50°C. 　　Кроме того, щелочной раствор может растворять железо только в том случае, если он находится в очень концентрированном состоянии. Происходит это по следующим реакциям:
3Fe + 7NaOH → Na3FeO3·2Na2FeO2 + 7H2O
Na3FeO3·2Na2FeO2 + 4H2O → 7NaOH + Fe3O4 + H2
7H2O → 4H2 + 3O2
3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
Раствор щелочи подается в эту трубу примерно раз в 10 дней; из-за этого на местах сварки легко образуется накопление щелочного раствора. Трубопроводы обычно свариваются с одной стороны, на внутренней поверхности часто имеются неполностью просваренные участки и зазоры. С течением времени щелочной раствор концентрируется, что приводит к его накоплению в зоне сварного шва. Это вызывает коррозию именно в этой зоне. Кроме того, в сварном шве отсутствует защитный металлический слой, поэтому постоянно оказывается обнаженная поверхность металла. Согласно принципам электрохимической коррозии, поверхность металла в этой зоне обычно находится в роли анода и подвергается процессу коррозии. 　　Соединения в оригинальных трубах были выполнены путем сварки; структура металла в области шва имеет более крупные зерна по сравнению со структурой металла в основной части трубы. Кроме того, из-за неоднородности структуры после сварки и наличия большого количества дефектов, механические свойства и химический состав поверхности шва сильно отличаются от таковых у металла в основной части трубы. 　　При периодическом использовании и прекращении работы трубопровода при температуре выше 50°C под действием как насыщения щелочным раствором, так и высокой температуры быстро возникает коррозия под действием напряжений, что приводит к утечкам в трубопроводе, которые часто происходят зимой. 3. Критерии выбора материала После сравнения нескольких методов защиты от коррозии было установлено, что наилучшие результаты дает использование «ферромагнитных трубных соединений с свойствами памяти формы». Поскольку эффект сплавов с памятью формы заключается в том, что после деформации материала (обычно при температуре ниже или около Ms) он может восстановить свою первоначальную форму при нагревании до определенной температуры. Такие материалы, обладающие эффектом памяти формы, называются памятными материалами. Принцип соединения труб с использованием железосодержащих сплавов с памятью формы показан на рисунке 2. При комнатной температуре происходит деформация соединительного элемента в результате чего внутренний диаметр этого элемента становится больше внешнего диаметра соединяемых труб. Это позволяет более легко вставить трубы в соединительный элемент. Затем соединительный элемент нагревается до определенной температуры (выше значения Af), после чего он возвращается к своей первоначальной форме с меньшим диаметром, тем самым плотно обхватывая трубы. Для достижения цели соединения труб. Использование соединителей из железосодержащих сплавов с памятью формы для соединения труб позволяет избежать изменений микроструктуры материала в местах соединения, а также коррозионного разрушения в этих зонах, вызванного напряжениями. 4. Эффективность применения. За более чем 10 лет эксплуатации этой трубы не было зафиксировано никаких случаев утечек, что свидетельствует о том, что данный метод позволяет полностью решить проблему коррозии труб под действием напряжений. Кроме того, он является экономически целесообразным.