способ контроля качества стальных изделий

Формула изобретения

Способ контроля качества стальных изделий путем определения их коррозионной стойкости, заключающийся в том, что от изделий отбирают образцы, изготавливают шлифы с полированной поверхностью, которую обрабатывают в течение заданного времени реактивом, содержащим ионы хлора, выявляют активные неметаллические включения, вызывающие коррозию, по количеству которых судят о коррозионной стойкости изделий, отличающийся тем, что полированную поверхность шлифа обрабатывают в водном растворе, содержащем 6-15 г/л ионов хлора электрохимическим методом в потенциодинамическом режиме при потенциале, изменяющемся со скоростью 0,36-3,6 В/ч либо от –450 мВ до –700 мВ, либо от –700 мВ до –450 мВ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к контролю качества стальных изделий, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах, оказывающих коррозионное воздействие на металлы.

Одним из наиболее повреждаемых в результате коррозионного воздействия объектов является оборудование, подвергающееся воздействию агрессивных сред, составной частью которых являются водные растворы, содержащие ионы хлора, сероводород и другие агрессивные компоненты. К такому оборудованию относятся нефтепроводы, резервуары, трубопроводы тепловых сетей и другие виды. В частности, на трубопроводных системах в зависимости от условий эксплуатации можно наблюдать различные виды коррозионного разрушения, главными из которых являются общая и локальная коррозия, причем наиболее опасной является локальная коррозия.

Необходимо иметь надежный ускоренный метод оценки коррозионной стойкости сталей уже на стадии изготовления стального проката и труб в условиях завода-производителя или при входном контроле качества металлопродукции у потребителя, чтобы прогнозировать срок службы оборудования из конкретной стали, производить отбраковку металлопродукции, имеющей пониженную коррозионную стойкость, и выбирать сталь в зависимости от требуемого срока службы оборудования и агрессивности условий эксплуатации.

Существенное влияние на качество стальных изделий, в частности на протекание процессов коррозии, оказывают неметаллические включения. Наиболее опасными с точки зрения коррозии являются неметаллические включения, вокруг которых в агрессивной среде происходит ускоренное локальное растворение стали. Присутствие таких неметаллических включений в сталях может более чем на порядок увеличить скорость сквозного коррозионного разрушения оборудования. При разработке способов контроля качества стальных изделий путем определения коррозионной стойкости целесообразно оценивать чистоту стали по таким включениям или вклад таких включений в развитие коррозионных процессов.

Известен способ оценки коррозионной стойкости низколегированной стали, по которому исследуемая поверхность образца приводится в контакт с кислотным электролитом, содержащем, г/л: серную кислоту 100-300 и глицерин 700-900, затем последовательно поляризуется в анодном и катодном направлениях в заданном диапазоне потенциалов и по виду анодных и катодных кривых оценивают стойкость стали (патент РФ 1797014, МПК G 01 N 17/00, опубл. 23.02.1993 г.). Основным недостатком данного способа является малая достоверность при оценке коррозионной стойкости металла применительно к водным средам, где коррозия происходит, как правило, в активном состоянии, и где процессы локальной и общей коррозии протекают одновременно. Кроме того, данным методом не предусмотрена оценка неметаллических включений, оказывающих влияние на коррозию.

Известны методы оценки коррозионной стойкости стали, в частности, стойкости против общей и локальной коррозии путем длительных коррозионных испытаний в конкретной коррозионно-активной среде (Kimura Mituo. Влияние Сr на стойкость стали для магистральных трубопроводов к коррозии под действием газообразной СО₂; Current Advances Materials and Processes, 1991, v. 4, 6, р. 1984) с последующей оценкой потери массы образцов или глубины образовавшихся локальных коррозионных повреждений. При этом для получения достоверных результатов требуются длительные испытания - не менее 2-3 месяцев, что, как правило, не приемлемо.

Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля качества стальных изделий, заключающийся в том, что от изделия отбирают образцы и изготавливают шлифы с полированной поверхностью. Поверхность обрабатывают реактивом, содержащем ионы хлора в количестве не более 1%, в течение заданного времени. Затем выявляют активные неметаллические включения, вызывающие коррозию, и проводят количественный и/или качественный анализ активных неметаллических включений и участков, пораженных коррозией. О коррозионной стойкости и качестве изделий судят по наличию и/или количественным характеристикам активных неметаллических включений и участков, пораженных коррозией (патент РФ 2149400, МПК G 01 N 33/20, опубл. 20.05.2000 г. - прототип). Способ позволяет судить о коррозионной стойкости стальных изделий в случае одновременного протекания процессов общей и локальной коррозии.

Способ, позволяет достоверно оценить коррозионную стойкость стальных изделий в водных средах, содержащих ионы хлора при определенном содержании других агрессивных компонентов. Однако при значительных колебаниях содержания других компонентов, входящих в состав среды, таких как кислород, сероводород и другие, а также при существенных изменениях условий эксплуатации, например температуры среды, помимо активных неметаллических включений, выявляемых данным методом, существенное влияние на коррозию могут оказывать и другие активные неметаллические включения, которые известным способом не контролируются.

Техническим результатом изобретения является повышение информативности и достоверности способа контроля качества стальных изделий, что позволяет судить об их коррозионной стойкости в более широком диапазоне условий эксплуатации, в частности в средах, содержащих сероводород и некоторые другие компоненты.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе контроля качества стальных изделий путем определения их коррозионной стойкости, заключающемся в том, что от изделий отбирают образцы, изготавливают шлифы с полированной поверхностью, которую обрабатывают в течение заданного времени реактивом, содержащим ионы хлора, выявляют активные неметаллические включения, вызывающие коррозию, по количеству которых судят о коррозионной стойкости изделий, согласно изобретению полированную поверхность шлифа обрабатывают в водном растворе, содержащем 6-15 г/л ионов хлора, электрохимическим методом в потенциодинамическом режиме при потенциале, изменяющемся со скоростью 0,36-3,6 В/ч либо от -450 до -700 мВ, либо от -700 до -450 мВ.

Активные неметаллические включения могут быть разных типов и оказывать различное воздействие на коррозионную стойкость стали в зависимости от сред и условий эксплуатации. Установлено, что при обработке поверхности шлифа водным раствором, содержащим 6-15 г/л ионов хлора, электрохимическим методом в потенциодинамическом режиме при скорости изменения потенциала от 0,36 до 3,6 В/ч в интервале от -450 до -700 мВ в положительную или отрицательную сторону можно выявить все активные неметаллические включения, оказывающие влияние на коррозию. Именно плотность всех активных неметаллических включений, выявляемых данным методом, является основной характеристикой коррозионной стойкости стали во многих средах, в частности, в водных средах, содержащих сероводород, ионы хлора, кислород и другие компоненты, и, соответственно, характеристикой ее качества.

При меньшем содержании ионов хлора в водном растворе чем 6 г/л и большей скорости изменения потенциала чем 3,6 В/ч часть активных неметаллических включений может не выявиться, при большем содержании ионов хлора чем 15 г/л и меньшей скорости изменения потенциала чем 0,36 В/ч может происходить растворение матрицы на любых неоднородностях поверхности, а не только вокруг активных неметаллических включений, что затрудняет выявление таких включений. При потенциале ниже -700 мВ активные неметаллические включения не выявляются. При потенциале выше -450 мВ происходит активное растворение матрицы как в сталях, содержащих активные неметаллические включения, так и в сталях, не содержащих такие включения, что не позволяет оценить коррозионную стойкость изделия.

Общим способом повышения коррозионной стойкости стальных изделий являйся снижение плотности или полное исключение присутствия в стали активных неметаллических включений, выявляемых предлагаемым способом.

Примеры конкретного выполнения способа.

Образцы труб и листового проката из углеродистых или низколегированных сталей, предназначенных для изготовления нефтепромыслового оборудования были установлены на коррозионные испытания в пластовую воду, отобранную на одном из нефтяных месторождений. Испытания проводили в течение 3 месяцев. Использованная для испытаний пластовая вода содержала 10 г/литр NaCl и 0,04 г/литр H₂S.

За основной критерий коррозионной стойкости принимали максимальную глубину коррозионных поражений, образовавшихся за период испытаний. Опыт показывает, что для сталей, имеющих удовлетворительную стойкость против локальной коррозии (из-за высокой степени чистоты по активным неметаллическим включениям) максимальная глубина коррозионных поражений после 2 месяцев испытаний в рассматриваемой среде в стационарных условиях не превышает 10 мкм.

Марки исследованных сталей, а также соответствующие значения максимальной глубины коррозионных поражений представлены в таблице.

Для проведения коррозионных испытаний по предлагаемому методу на отобранных образцах были изготовлены микрошлифы с полированной поверхностью площадью 350-400 мм².

Шлифы обрабатывали по следующим вариантам:

1. Химическим методом в течение 30 с реактивом, содержащим 0,5% КСl (0,24% ионов хлора), а затем в течение 10 с реактивом, содержащим 4% азотной кислоты, этиловый спирт и 0,1% КСl (0,048% ионов хлора (прототип);

2. Электрохимическим методом в водном растворе, содержащем 15 г/л ионов хлора, в потенциодинамическом режиме при потенциале, изменяющемся со скоростью 0,36 В/ч от -700 до -450 мВ (предлагаемый вариант);

3. Электрохимическим методом в водном растворе, содержащем 10 г/л ионов хлора, в потенциодинамическом режиме при потенциале, изменяющемся со скоростью 0,9 В/ч от -450 до -700 мВ (предлагаемый вариант);

4. Электрохимическим методом в водном растворе, содержащем 3 г/л ионов хлора, в потенциодинамическом режиме при потенциале, изменяющемся со скоростью 1,44 В/ч от -700 до -450 мВ (отличается от предлагаемого варианта меньшим содержанием ионов хлора в водном растворе);

5. Электрохимическим методом в водном растворе, содержащем 15 г/л ионов xлора, в потенциодинамическом режиме при потенциале, изменяющемся со скоростью 4.2 В/ч от -700 до -450 мВ (отличается от предлагаемого варианта большей скоростью изменения потенциала);

6. Электрохимическим методом в водном растворе, содержащем 10 г/л ионов хлора, в потенциодинамическом режиме при потенциале, изменяющемся со скоростью 0,9 В/ч от -700 до -350 мВ (отличается от предлагаемого варианта более высоким значением потенциала верхней границы проходимого интервала).

После обработки поверхность образцов промывали водой, сушили при помощи фильтровальной бумаги и исследовали на оптическом микроскопе "Неофот" при увеличении 100. Для каждого шлифа было осмотрено 50 полей площадью около 1 мм². Для всех испытанных сталей после обработки по вариантам 1-5 проводили количественный анализ активных неметаллических включений с определением среднего числа включений на единицу площади шлифа. После обработки по варианту 6 на поверхности шлифов всех исследованных сталей произошло активное растворение матрицы, что не позволило выявить различия в коррозионной стойкости. Результаты количественного анализа активных неметаллических включений после обработки по вариантам 1-5 представлены в таблице.

Видно, что плотность активных неметаллических включений, определенная после обработок по вариантам 1,4 и 5 для сталей с порядковыми номерами 2 и 3 не коррелирует с реальной скоростью коррозии, определенной, как максимальная глубина коррозионного поражения за 2 месяца испытаний. В то же время плотность активных неметаллических включений, определенная после обработки по вариантам 2 и 3, однозначно связана с реальной скоростью коррозии, что видно из таблицы. При значении плотности активных неметаллических включений не более 1 шт. /мм² сталь имеет удовлетворительную коррозионную стойкость (максимальная глубина коррозионных поражений - 7-8 мкм). При увеличении плотности активных неметаллических включений, определенной после обработки по предлагаемому варианту, до 5, 13 и 18 шт./мм² максимальная глубина коррозионных поражений возрастает, соответственно, до 15, 24 и 35 мкм. Следует учесть, что лабораторные испытания проводили в стационарных условиях, поэтому их можно использовать лишь для сравнения сталей между собой и для ориентировочной оценки реальных скоростей локальной коррозии. Фактические скорости локальной коррозии в эксплуатационных условиях могут быть гораздо выше. При оценке предлагаемым способом качества стальных труб от участков трубопроводов систем нефтесбора, разрушившихся в результате локальной коррозии в сроки менее 1 года, установлено, что плотность активных неметаллических включений в них составляет не менее 10 шт./мм².

Таким образом, использование настоящего предложения повышает информативность и достоверность способа контроля качества стальных изделий, позволяет судить об их стойкости против общей и локальной коррозии в широком диапазоне сред, в частности содержащих сероводород, дает возможность прогнозировать срок службы стальных изделий и позволяет на стадии изготовления оборудования выбирать стали с требуемой коррозионной стойкостью. В результате повышается надежность стального оборудования, так как исключается вероятность коррозионных разрушений за планируемый период эксплуатации.