Сорбционные разрушения элементов оборудования

Водород относится к числу наиболее сильных сорбционно-активных сред по отношению к металлам и сплавам. Он оказывает существенное влияние на механические свойства большинства металлов: у пластичных малоуглеродистых сталей вызывает резкое снижение относительного удлинения, поперечного сужения, ударной вязкости; у высокоуглеродистых закаленных сталей с повышенными прочностными характеристиками -уменьшение предела прочности. Даже при отсутствии внешних нагрузок происходит растрескивание сталей.

По механизму взаимодействия водорода с металлом следует выделить два различных, но взаимосвязанных процесса; адсорбция - молекулярное взаимодействие водорода с поверхностью металла, приводящее к образованию насыщенного слоя водорода на границе раздела газ - металл, и абсорбция - растворение водорода в массе металла.

Поверхность металла обычно обладает достаточно высокой адсорбционной способностью ввиду наличия у нее значительной свободной поверхностной энергии, обусловленной особенностями металлической связи.

Распределение свободной энергии по поверхности металла -неравномерное. Всегда имеются участки с различным уровнем свободной энергии или энергии связи с молекулами адсорбированного газа. Активные центры адсорбции, как правило, соответствуют местам нарушений кристаллической структуры поверхности металла и их число, а следовательно, активность всей поверхности будет зависеть от состояния или метода обработки поверхности. Наиболее высокой активностью обладают вновь образованные, не успевшие окислиться поверхности.

Процесс растворения водорода в металлах сопровождается процессом диссоциации молекул водорода на атомы, так как в молекулярном состоянии водород не растворяется в металлах. Процесс диссоциации является необходимым условием для обра­зования раствора водорода в кристаллах металла.

Процесс диссоциации молекул водорода на атомы может происходить в газовой среде при высоких температурах (термическая диссоциация) или в поверхностном слое металла за счет энергии адсорбции; кроме того, на поверхности металла могут образовываться атомы водорода в процессе химических реакций, адсорбироваться и переходить в металлический раствор.

Химические реакции возникают, например, при сварке металлов, вследствие взаимодействия паров воды с металлической поверхностью при высоких температурах.

Интенсивное поглощение металлом водорода происходит при эксплуатации оборудования в обводненных сероводородсодержащих средах. Молекулы сероводорода, адсорбируясь на поверхности металла, разряжаются с образованием атомов водорода.

Водород обладает большой склонностью к диффузии в твердых телах. Особенно большой подвижностью он обладает в металлах, что объясняется его малыми размерами и строением атома. Принято считать, что водород в металлических растворах находится в виде протона, чем и обусловливается его большая подвижность. Растворяясь в кристаллической решетке стали, атомы водорода отдают свои электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (протоны). Ионы водорода диффундируют в кристаллической решетке стали с высокой скоростью. Встречая на своем пути какие-либо дефекты (микропустоты, трещины, раковины, дислокации и т.п.), они выходят из кристаллической решетки и, молизуясь, создают в объеме микродефекта большое внутреннее давление до 4,0 тыс. МПа и выше, что вызывает деформирование кристаллической решетки металла и приводит к потере вязкости, т.е. возникает водородная хрупкость.

Увеличение числа нарушений в структуре металла в процессе пластических деформаций увеличивает локализацию в них водорода, в результате чего может возникнуть торможение пластической деформации, а следовательно, создаются условия для хрупкого разрушения.