Определение режимов и сроков эксплуатации элементов конструкций с учетом структурных неоднородностей материалов, вызванных абсорбцией водорода из внешней среды

Объектом исследования являются резервуары и элементы трубопроводных систем, транспортирующих водородосодержащие среды, высоконагруженные детали энергетического машиностроения. Для используемых в них современных конструкционных материалов характерны сверхмалые концентрации водорода. Рост влияния водорода в металлоконструкциях на прочность обусловлен экстремальными условиями эксплуатации современных конструкционных материалов. Цель работы заключается в исследовании и разработке методов водородной диагностики механического состояния и оценки остаточного ресурса металлических конструкций с учетом поверхностных эффектов и коррозионных факторов, вызванных абсорбцией водорода из внешней среды. На данном этапе выполнения темы применены согласованные экспериментальные, теоретические и прикладные методы исследований. Настоящий отчет представляет собой сводный документ по проведенным исследованиям в рамках единого подхода, включает в себя экспериментальные и теоретические исследования реальных конструкций, численное моделирование и инженерные расчеты. Объединяющей идеей является построение непротиворечивой фундаментальной модели влияния водорода на структуру и прочность конструкционных металлов, которая позволяет описывать практически важные разноплановые феномены. Сочетание оригинальных, но метрологически обоснованных и аттестованных методов экспериментального исследования, а также фундаментальных методов теоретического анализ и численного моделирования позволило получить новые результаты исследований при выполнении проекта. Экспериментальные исследования нацелены на развитие методов водородной диагностики при коррозии труб энергетического оборудования. Проведенный детальный анализ всех типов повреждений и разрушений труб энергетического оборудования подтверждает, что при всех видах повреждения наблюдается значительный концентрационный градиент водорода в месте повреждения. Показано, что коррозия и разрушение происходит по различным сценариям, требующих внимательного анализа. Проведено изучение кольцевых образцов, которые были использованы для интерпретации механизмов водородной деградации металла стенок методами имитационного моделирования с использованием классической модели водородной хрупкости HEDE. Теоретические исследования позволили найти эффективную водородную диффузионную проницаемость поликристалла для описания процессов диффузии водорода в материале конструкции под действием термомеханических нагрузок. Практическая значимость и область применения результатов разработанного комплексного подхода демонстрируются на примере деградации свойств цилиндрического резервуара хранения нефтепродуктов с учетом деструктивного воздействия водорода и преждевременного разрушения обойм шарикоподшипников из-за водорода, выделяемого при распаде смазки в результате трибохимической реакции. Даны рекомендации по внедрению результатов выполненных исследований в виде необходимости приведения существующей нормативной документации по определению и нормированию содержания водорода для современных конструкционных материалов.