Ευθραυστότητα υδρογόνου: Ταξινόμηση μηχανισμού Εκτίμηση κινδύνου και Οδηγίες βιομηχανικής πρόληψης
Η ευθραυστότητα του υδρογόνου αντιπροσωπεύει ένα από τα πιο περίπλοκα και καταστροφικά φαινόμενα αστοχίας υλικού που συναντώνται στη σύγχρονη μηχανολογική κατασκευή πετροχημικών μηχανικών υπεράκτιων θαλάσσιων μηχανικών αεροδιαστημικού εξοπλισμού και βιομηχανιών συνδετήρων υψηλής αντοχής. Αναφέρεται στη μη αναστρέψιμη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων, συμπεριλαμβανομένης της ολκιμότητας αντοχής στην κόπωση και της αντοχής σε θραύση, όταν το ατομικό υδρογόνο διεισδύει στην εσωτερική δομή πλέγματος μεταλλικών υλικών, όπως ανοξείδωτου χάλυβα από κράμα ανθρακούχου χάλυβα, κράμα τιτανίου και κράμα βάσης νικελίου. Σε αντίθεση με τη συμβατική μηχανική φθορά, η θραύση λόγω κόπωσης ή η χημική διάβρωση, η αστοχία υδρογόνου χαρακτηρίζεται από ισχυρή καθυστερημένη απόκρυψη θραύση και ξαφνική αστοχία ευθραυστότητας που συμβαίνει συχνά υπό μακροπρόθεσμο στατικό φορτίο εναλλασσόμενο φορτίο ή υπολειπόμενη τάση πολύ κάτω από την ονομαστική αντοχή διαρροής του υλικού χωρίς εμφανή πλαστική παραμόρφωση εκ των προτέρων και τεράστιες βιομηχανικές απώλειες. μηχανική λειτουργία και δομική διάρκεια ζωής.
Σε πραγματικά βιομηχανικά σενάρια οι πηγές υδρογόνου που προκαλούν ευθραυστότητα μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες εσωτερικού υδρογόνου και περιβαλλοντικού υδρογόνου. Το εσωτερικό υδρογόνο εισάγεται κυρίως σε όλη τη διαδικασία χύτευσης τήξης μετάλλων σφυρηλάτηση συγκόλλησης με οξύ αποξίδωση φωσφοροποίηση ηλεκτρολυτική εν θερμώ εμβάπτιση και επιφανειακή θερμική επεξεργασία. Κατά τη διάρκεια των διεργασιών ηλεκτρολυτικής αποξήρανσης και ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, μια μεγάλη ποσότητα ατόμων υδρογόνου θα δημιουργηθεί στην επιφάνεια του μετάλλου και θα διαχέεται γρήγορα στο εσωτερικό του υλικού κατά μήκος των διεπαφών συμπερίληψης των εξαρθρώσεων των ορίων των κόκκων και των μικροελαττωμάτων που σχηματίζουν ζώνες εμπλουτισμού υδρογόνου. Η συγκόλληση και η τήξη τετηγμένου χάλυβα θα εισάγουν επίσης υδρογόνο μέσω συγκόλλησης υγρασίας επικάλυψης υγρασίας και ατμοσφαιρικής υγρασίας που παραμένει στη λιωμένη δεξαμενή που παραμένει στη μήτρα μετά τη στερεοποίηση και γίνεται το κρυφό κίνητρο της επακόλουθης αστοχίας ευθραυστότητας. Το περιβαλλοντικό υδρογόνο προέρχεται κυρίως από το περιβάλλον εργασίας της υπηρεσίας, όπως τα μέσα πετρελαίου και αερίου που περιέχουν υδρόθειο υγρό μέσο διοξειδίου του άνθρακα, θαλασσινό νερό αλατούχο έδαφος, διαβρωτικό υγρό βιομηχανικού οξέος και ακατάλληλο σύστημα καθοδικής προστασίας στη θαλάσσια μηχανική. Αυτά τα εξωτερικά διαβρωτικά περιβάλλοντα αποσυντίθενται συνεχώς για να δημιουργήσουν ενεργά άτομα υδρογόνου τα οποία διεισδύουν στην επιφάνεια του μετάλλου και συσσωρεύονται σταδιακά στο εσωτερικό του υλικού υπό μακροπρόθεσμη επίδραση σύζευξης τάσης.
Από την άποψη της προσαρμοστικότητας των υλικών, ο υψηλής αντοχής μαρτενσιτικός χάλυβας με σβησμένο και σκληρυμένο κράμα χάλυβας υψηλής αντοχής από χάλυβα ελατηρίου και ο χάλυβας υψηλής αντοχής είναι τα πιο ευαίσθητα υλικά στην ευθραυστότητα του υδρογόνου. Όσο υψηλότερη είναι η σκληρότητα της αντοχής σε εφελκυσμό και η περιεκτικότητα σε μαρτενσίτη του υλικού τόσο πιο έντονη θα είναι η ευαισθησία στην ευθραυστότητα του υδρογόνου. Τα μερικώς κράματα τιτανίου και τα κράματα αλουμινίου υψηλής αντοχής από σκληρυμένο ανοξείδωτο χάλυβα έχουν επίσης εμφανή τάση ευθραυστότητας σε περιβάλλοντα που περιέχουν υδρογόνο, ενώ ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα και ο χάλυβας χαμηλού κράματος έχουν σχετικά εξαιρετική αντοχή στο υδρογόνο λόγω της σταθερής δομής πλέγματος και του χαμηλού επιπέδου υπολειπόμενης τάσης. Μικροσκοπικά τα άτομα υδρογόνου που συγκεντρώνονται στα όρια των κόκκων θα αποδυναμώσουν τη δύναμη διατομικής σύνδεσης μειώνουν την οριακή ισχύ του δεσμού κόκκων και θα προάγουν την έναρξη και την επέκταση των διακοκκωδών ρωγμών. Το υδρογόνο που εμπλουτίζεται σε εξαρθρήματα θα επιταχύνει τον πολλαπλασιασμό του εξαρθρήματος και η ολίσθηση θα προκαλέσει τοπική συγκέντρωση στρες και θα προκαλέσει διακοκκώδες κάταγμα οιονεί διάσπασης. Ένας μεγάλος αριθμός ατόμων υδρογόνου που συσσωματώνονται σε μικροπόρους και εγκλείσματα θα ενωθούν σε μόρια υδρογόνου για να παράγουν τεράστια εσωτερική πίεση διαστολής που οδηγεί στη δημιουργία και τη διάδοση εσωτερικών μικρορωγμών έως ότου συμβεί μακροσκοπική αστοχία θραύσης.
Σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά αστοχίας του μηχανισμού δράσης και των συνθηκών λειτουργίας, η ευθραυστότητα του υδρογόνου μπορεί συστηματικά να ταξινομηθεί σε ρωγμές που προκαλούνται από υδρογόνο καθυστερημένη θραύση. Η καθυστερημένη θραύση που προκαλείται από το υδρογόνο εμφανίζεται κυρίως σε δομικά μέρη και συνδετήρες υψηλής αντοχής υπό στατική τάση εφελκυσμού, δείχνοντας ότι τα εξαρτήματα με προφανή επίδραση χρόνου καθυστέρησης μπορούν να παραμείνουν ανέπαφα για μέρες μήνες ή και περισσότερο μετά την εγκατάσταση και ξαφνικά εύθραυστα θραύσματα χωρίς προειδοποίηση. Η ρωγμή λόγω διάβρωσης με ενισχυμένη τάση υδρογόνου είναι το αποτέλεσμα σύζευξης της διείσδυσης υδρογόνου και του διαβρωτικού μέσου που είναι κοινό σε δοχεία χημικής πίεσης αγωγών πετρελαίου και φυσικού αερίου και στα δομικά μέρη της πλατφόρμας ανοιχτής θάλασσας. Οι φουσκάλες που προκαλούνται από το υδρογόνο συχνά εμφανίζονται σε χαλύβδινα δοχεία χαμηλής και μέσης αντοχής και στα εσωτερικά τοιχώματα του αγωγού το υδρογόνο συσσωρεύεται σε εσωτερικά ελαττώματα για να σχηματίσει φυσαλίδες που διογκώνονται στην επιφάνεια και ακόμη και αστοχία ρωγμών. Η ρηγμάτωση κόπωσης ενισχυμένη με υδρογόνο μειώνει σημαντικά τη διάρκεια κόπωσης των περιστρεφόμενων εξαρτημάτων μετάδοσης και των μηχανικών κινητών μερών που επιταχύνουν την ανάπτυξη ρωγμών υπό εναλλασσόμενο φορτίο.
Οι βασικοί θεωρητικοί μηχανισμοί της ευθραυστότητας του υδρογόνου που αναγνωρίζονται από τη βιομηχανία περιλαμβάνουν κυρίως τη θεωρία πίεσης υδρογόνου, τη θεωρία εξασθένισης ατομικού δεσμού, τον μηχανισμό οπισθέλκουσας εξάρθρωσης και τη θεωρία της ευθραυστότητας του διαχωρισμού των ορίων κόκκων. Η θεωρία της πίεσης του υδρογόνου πιστεύει ότι τα άτομα υδρογόνου διαχέονται και συγκεντρώνονται σε μικροελαττώματα, ανασυνδυάζονται σε μοριακό υδρογόνο και δεν μπορούν να διαφύγουν σχηματίζοντας εξαιρετικά υψηλή εσωτερική πίεση για να σπάσουν τη μήτρα και να επεκτείνουν τις μικρορωγμές. Η θεωρία αποδυνάμωσης του ατομικού δεσμού επισημαίνει ότι τα άτομα υδρογόνου καταλαμβάνουν το διάκενο του πλέγματος και μειώνουν την ενέργεια σύνδεσης μεταξύ των ατόμων μετάλλου με αποτέλεσμα τη μείωση της σκληρότητας του υλικού και τη μείωση της αντίστασης σε θραύση. Ο μηχανισμός οπισθέλκουσας εξάρθρωσης υποδεικνύει ότι το υδρογόνο μπορεί να προσροφηθεί στη γραμμή εξάρθρωσης μειώνει το φράγμα κίνησης της εξάρθρωσης προάγοντας την τοπική πλαστική παραμόρφωση και σχηματίζει συγκέντρωση τάσεων στο μπροστινό μέρος των μικρορωγμών. Η θεωρία διαχωρισμού ορίων κόκκων εξηγεί ότι το υδρογόνο διαχωρίζεται στα όρια των κόκκων μειώνει τη συνοχή των ορίων των κόκκων και προκαλεί διακοκκώδες εύθραυστο κάταγμα.
Όσον αφορά τη βιομηχανική πρόληψη και έλεγχο, πρέπει να δημιουργηθεί ένα πλήρες τυποποιημένο σύστημα ελέγχου που να καλύπτει τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας επιλογής υλικού μετά την επεξεργασία αφυδρογόνωσης βελτιστοποίηση σχεδιασμού του περιβαλλοντικού ελέγχου του μέσου και την τακτική ανίχνευση απόδοσης. Στο στάδιο επιλογής υλικού, προτεραιότητα θα πρέπει να δίνεται σε υλικά με χαμηλή ευαισθησία στο υδρογόνο, αποφεύγεται η τυφλή χρήση χάλυβα εξαιρετικά υψηλής αντοχής στα βασικά εξαρτήματα ασφαλείας και αντικαθίσταται η διαδικασία ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης με μηχανικό γαλβανιζέ σφαιρίδιο και οργανική επίστρωση για μείωση της εισαγωγής υδρογόνου. Στη διαδικασία κατασκευής θα επιλέγονται υλικά συγκόλλησης χαμηλού υδρογόνου με προθέρμανση πριν από τη συγκόλληση και αργή ψύξη μετά τη συγκόλληση θα εφαρμοστεί ο χρόνος αποξείδωσης και η συγκέντρωση όξινου υγρού θα ελέγχεται αυστηρά και θα προστεθούν αναστολείς διάβρωσης για τη μείωση της αντίδρασης έκλυσης υδρογόνου. Για εξαρτήματα από χάλυβα υψηλής αντοχής μετά από ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση και αποξήρανση με οξύ, απαιτείται επεξεργασία ψησίματος σε σταθερή θερμοκρασία εντός του καθορισμένου χρόνου για την απελευθέρωση διαχύσιμου υδρογόνου στο εσωτερικό του υλικού και την εξάλειψη των κρυμμένων κινδύνων ευθραυστότητας.
Ο δομικός σχεδιασμός θα πρέπει να αποφεύγει την απότομη αλλαγή διατομής, οι αιχμηρές γωνίες και η υπερβολική υπολειπόμενη τάση υιοθετεί στρογγυλεμένη μετάβαση και βελτιστοποιημένη δομή φιλέτου μειώνει τη συγκέντρωση τοπικής τάσης και ταιριάζει εύλογα με την αντοχή του υλικού και το φορτίο συντήρησης. Στο περιβάλλον υπηρεσίας θα υιοθετηθούν στοχευμένα μέτρα προστασίας από τη διάβρωση, συμπεριλαμβανομένης της προσθήκης αναστολέων διάβρωσης που βελτιστοποιούν το δυναμικό καθοδικής προστασίας για την αποφυγή υπερβολικής έκλυσης υδρογόνου χρησιμοποιώντας αντιδιαβρωτικά υλικά επένδυσης και τακτική παρακολούθηση της σύνθεσης του μέσου. Ταυτόχρονα, πρέπει να διεξάγονται τακτικές μη καταστροφικές δοκιμές ανάλυση μικροδομής και αξιολόγηση απόδοσης ευθραυστότητας υδρογόνου για βασικό εξοπλισμό και ευάλωτα εξαρτήματα για την εκ των προτέρων εξάλειψη πιθανών κινδύνων αστοχίας.
Στη μηχανική πρακτική, οι περιπτώσεις αστοχίας ευθραυστότητας υδρογόνου διανέμονται ευρέως σε συστήματα σύνδεσης μπουλονιών υψηλής αντοχής εξαρτήματα μετάδοσης αιολικής ενέργειας εξαρτήματα ελατηρίου ανάρτησης αυτοκινήτου εξαρτήματα πετροχημικών αγωγών συλλογής και μεταφοράς δομικά μέρη θαλάσσιας εξέδρας και δομικά μέρη ακριβείας της αεροδιαστημικής. Τα περισσότερα ατυχήματα ξαφνικής θραύσης λόγω διακοπής λειτουργίας εξοπλισμού συνδετήρων υψηλής αντοχής που προκαλούνται από ρωγμές αγωγών και δομική αστοχία των θαλάσσιων πλατφορμών σχετίζονται στενά με την ανεξέλεγκτη ευθραυστότητα του υδρογόνου. Ως εκ τούτου, σε ολόκληρο τον κύκλο ζωής της επεξεργασίας επιλογής υλικού κατασκευής επεξεργασίας επιφανειών, ο δομικός σχεδιασμός και η μακροχρόνια υπηρεσία καθιέρωσης τυποποιημένης διαδικασίας αξιολόγησης κινδύνου ευθραυστότητας υδρογόνου και εφαρμογή πλήρους διαχείρισης ελέγχου υδρογόνου δεν είναι μόνο μια σημαντική εγγύηση για την ασφαλή και σταθερή λειτουργία του βιομηχανικού εξοπλισμού, αλλά και ένα βασικό τεχνικό μέσο για την παράταση της διάρκειας ζωής των εξαρτημάτων, μειώνοντας το κόστος συντήρησης και αποφυγής μεγάλων ατυχημάτων.