47
Приложение Б
(справочное)
Науглероживаниеисовместимостьматериалов
для работы в водородной среде
Б.1 Науглероживание
Науглероживание высокотемпературных сплавов является одной из наиболее известных проблем печей
парового риформинга. К науглероживанию приводит миграция углерода вовнутрь, источником которой является
углеводородное растрескивание, обусловливающее образование карбидов в основном металле сплава. Про-
цесс поддерживается высокой температурой, обычно свыше 800 °C, и приводит, в конечном итоге, к потере
вязкости.
Науглероживание сплава приводит к снижению его вязкости при температуре окружающей среды. Наугле-
роживание увеличивает объем металла и коэффициент расширения, обусловливая сильное внутреннее напря-
жение, которое приводит к преждевременному отказу оборудования. Поломка обычно выражается в разруше-
нии при длительных нагрузках и малоцикловой выносливости. Если науглероживание достаточно сильное, оно
также может повлиять на характеристики устойчивости к высокой температуре и прочности к разрывам. В этом
смысле сплавы обладают различной сопротивляемостью. Как правило, степень науглероживания различна в
зависимости от:
- температуры: степень практически удваивается при повышении температуры на каждые 55 °C;
- отношения CO/CO
2
: кинетика реакции контролируется отношением CO/CO
2
в газе и температурой;
- условий сильного науглероживания: условиями сильного науглероживания являются потоки CO/CH
4
/H
2
с низким отношением пар/углерод при средней температуре (обычно 450 °C — 850 °C) и наличие оксидного слоя
с трещинами;
- содержания никеля и кремния: высокое содержание создает благоприятные условия;
- защитных и регенеративных оксидных пленок: для сплава благоприятны Cr, Si и Al.
Данные закономерности являются общими для процесса науглероживания, однако могут иметь место
исключения, связанные с разнообразием характеристик материалов и влиянием окружающей среды.
Б.2 Совместимостьматериаловприработевводороднойсреде
Б.2.1 Компоненты
Компоненты, в которых обрабатывается газообразный водород или водородсодержащие среды, а также
все детали, используемые для герметизации и соединения этих компонентов, должны быть устойчивыми к
химическому и физическому воздействиям водорода в условиях эксплуатации.
Б.2.2 Металлы и металлические материалы
Пользователи настоящего стандарта должны знать, что машиностроительные материалы, подвергающие-
ся воздействию водорода, могут иметь повышенную восприимчивость к водородной коррозии вследствие,
например, наводораживания или необратимого водородного охрупчивания.
Водородное охрупчивание — процесс снижения прочности или вязкости металла вследствие проникания
в его структуру атомарного водорода.
Водородное охрупчивание подразделяется на два типа.
Первый тип — внутреннее водородное охрупчивание возникает, когда водород проникает в металличес-
кий сплав во время обработки материалов и перенасыщает металл водородом.
Второй тип — внешнее водородное охрупчивание, которое обусловливается поглощением водорода твер-
дыми металлами из водородсодержащей рабочей среды.
Атомарный водород, растворенный в металле, взаимодействует с дефектами металла, обычно приводя
к растрескиванию сплава, ухудшая его вязкость и др. Растрескиванию металлов под воздействием водорода
способствуют как физические свойства материала, так и факторы окружающей среды. Микроструктура матери-
ала и метод обработки могут существенно влиять на сопротивляемость металла к растрескиванию. Вторичные
фазы материала, такие как, например, частицы феррита в аустенитных нержавеющих сталях, могут приводить к
сложной анизотропной реакции в материалах. Известно, что сопротивляемость металлов к водородному рас-
трескиванию уменьшается с увеличением прочности сплава.
Факторы окружающей среды, воздействующие на водородное растрескивание, включают в себя давление
водорода, температуру химической среды и скорость деформации. В большинстве случаев восприимчивость к
водородному растрескиванию увеличивается вместе с повышением давления водорода. Воздействие темпе-
ратуры вследствие ее повышения не столь однозначно, по сравнению с давлением. Некоторые металлы, такие
как аустенитные нержавеющие стали, имеют локальный максимум восприимчивости к водородному растрески-
ванию в зависимости от температуры. Хотя это явление еще не до конца изучено, следы некоторых газов,
смешанных с водородом, тоже влияют на водородное растрескивание. Влага, например, может неблагоприятно
воздействовать на алюминиевые сплавы, в то время как для некоторых других сплавов она повышает
сопротивляемость к водородному растрескиванию за счет образования поверхностных пленок, которые
служат в качестве кинетических барьеров для проникновения водорода.
ГОСТР 54110—2010