Технические науки 8

Соборницкий В.И., Павлюс С.Г., Березкин А.О.

Украинский государственный химико-технологический университет

Учет необратимого захвата водорода при наводороживании металлов

Явление проникновения водорода в металл и связанное с ним снижение механических свойств металлических конструкций, получило название водородной хрупкости. Из-за недооценки подобного явления часто наблюдается снижение прочности ответственного оборудования в производственной практике. В ряде случаев это приводит к катастрофическим последствиям. По оценке экспертов ущерб от водородной коррозии дает почти десятую часть от общих потерь металла за счет всех видов коррозии.

Наряду с процессом обратимого захвата водорода дефектами структуры твердой фазы, имеет место также его взаимодействие с «ловушками» другой природы.

Кинетическая схема для такого случая будет включать два параллельных маршрута [1,2].

(1)

Где К₃ – константа скорости необратимого захвата.

К₁ и К₂ – константы скоростей захвата и освобождения водорода.

Диффузионная задача для (1) запишем в виде [3]

(2)

g(z,0)=0 τ=0 0≤Z≤1

g(0,τ)=0 τ≥0 Z=0

g(1,τ)=1+[(λ+χ/��)]exp[-(λ+��+χ)τ] Z=1

Граничное условие на входной поверхности g(τ) получено из баланса потоков водорода на границе раздела фаз и учитывает перераспределение расчетного и захваченного дефектами структуры водорода во времени. В [2] обозначено:

��=K₂/N_реш.; λ= K₁/N_лов.;

Ѳ и - соответственно степень заполнения и количество необратимых «ловушек»;L- толщина мембраны; D_Н- решеточный коэффициент диффузии водорода; g(z,τ) – концентрация водорода в металле, как функция расстояния и времени; V – поток водорода; - концентрация водорода на входной стороне мембраны.

N_реш и N_лов –представляют собой число мест в решетке и количество «ловушек» в единице обьема.

Путем решения краевой задачи диффузии (2) было получено выражение для тока проникновения водорода в операторной форме т.е изображение тока проникновения.

,(3)

где

Обратное преобразование выражения (3) дает оригинал тока проникновения I(τ),которое из-за громоздкости здесь не приводится. Вычисления I(τ) для постоянных значений параметров λ и ��, характеризующих обратимый захват водорода и при варьировании величины χ, определяющей скорость необратимого взаимодействия, приведены на рис. 1.

Рис.1 Зависимость токов проникновения водорода от времени в относительных единицах. Случай наложения обратимого захвата водорода дефектами структуры твердой фазы ��=0,1; λ=0,1. Параметр χ указан на рисунке.

Из приведенных графиков видно, что величина константы скорости необратимого захвата существенным образом влияет на стационарный ток проникновения водорода при .

Кроме того изменяются величины тока максимума кинетической кривой. Продифференцировав общее уравнение для тока проникновения I(τ) и приравняв его к нулю, была получена формула для определения времени достижения максимума тока, по которой были определены численные значения для различных значений χ.

Они представлены на рисунке (2) в виде зависимости .

Рис.2 Зависимости времени достижения максимального значения тока проникновения водорода τmax, его величины Imax и стационарного тока I∞ от параметра χ, характеризующего необратимый захват: ��=0,1; λ=0,1.

Полученные значения использовались для вычисления максимального тока проникновения I_max, а также установившегося значения тока проникновения I_∞ при .

Литература.

1. Zakroczymsky T.//Corrosion.1982.V38.p.218-223.

2. Крапивный Н.Г.// Электрохимия.1982.т.17.с1174-1179.

3. Chavane A.// Corrosion.1986.V42,N1.p/54-61.