Sprickbildning av spänningskorrosion

Spänningskorrosionssprickor orsakade av spänningar utvecklade i en olämpligt svetsad armeringskrage

En närbild av ytan på en stålrörledning som visar spänningskorrosionssprickor (två kluster av små svarta linjer) avslöjad av magnetisk partikelinspektion . Sprickor som normalt skulle ha varit osynliga är detekterbara på grund av de magnetiska partiklarna som samlas vid spricköppningarna. Skalan längst ner är i centimeter (varje division anger en millimeter).

Spänningskorrosion ( SCC ) är tillväxten av sprickbildning i en korrosiv miljö. Det kan leda till oväntat och plötsligt fel på normalt sega metallegeringar som utsätts för en dragpåkänning , särskilt vid förhöjd temperatur . SCC är mycket kemiskt specifik genom att vissa legeringar sannolikt kommer att genomgå SCC endast när de exponeras för ett litet antal kemiska miljöer. Den kemiska miljön som orsakar SCC för en given legering är ofta en som endast är milt frätande för metallen. Därför kan metalldelar med svår SCC se ljusa och glänsande ut samtidigt som de är fyllda med mikroskopiska sprickor. Denna faktor gör det vanligt att SCC förblir oupptäckt före fel. SCC utvecklas ofta snabbt och är vanligare bland legeringar än rena metaller. Den specifika miljön är av avgörande betydelse, och endast mycket små koncentrationer av vissa högaktiva kemikalier behövs för att producera katastrofal sprickbildning, vilket ofta leder till förödande och oväntat misslyckande.

Spänningarna kan vara resultatet av spaltbelastningar på grund av spänningskoncentration , eller kan orsakas av typen av montering eller restspänningar från tillverkning (t.ex. kallbearbetning); restspänningarna kan avlastas genom glödgning eller andra ytbehandlingar. Oväntat och för tidigt fel på kemisk processutrustning, till exempel på grund av spänningskorrosionssprickor, utgör en allvarlig fara när det gäller säkerheten för personal, driftanläggningar och miljö. Genom att försvaga tillförlitligheten hos dessa typer av utrustning påverkar sådana fel även produktiviteten och lönsamheten negativt.

Mekanismer

Spänningskorrosionssprickor drabbar främst metaller och metallegeringar . En jämförbar effekt även känd som miljöspänningssprickning påverkar även andra material som polymerer , keramik och glas .

Metaller

Lägre pH och lägre tillämpad redoxpotential underlättar utvecklingen och anrikningen av väte under SCC-processen, vilket ökar SCC-intensiteten.

Legering	K _Ic MN/m ^3/2	SCC miljö	K _Iscc MN/m ^3/2
13Cr stål	60	3% NaCl	12
18Cr-8Ni	200	42% _MgCl2	10
Cu-30Zn	200	NH4OH (pH 7 ₎	1
Al-3Mg-7Zn	25	Vattenhaltiga halogenider	5
Ti-6Al-1V	60	0,6 M KCl	20

Vissa austenitiska rostfria stål och aluminiumlegeringar spricker i närvaro av klorider . Detta begränsar användbarheten av austenitiskt rostfritt stål för att innehålla vatten med högre halt av klorider än några miljondelar vid temperaturer över 50 °C (122 °F);
mjukt stål i närvaro av alkali (t.ex. pannsprickor och kaustisk spänningskorrosion ) och nitrater ;
kopparlegeringar spricker i ammoniaklösningar ( säsongsprickor );
Höghållfasta stål har varit kända för att spricka på ett oväntat sprött sätt i en mängd olika vattenhaltiga miljöer, speciellt när klorider är närvarande.

Eventuellt med undantag för det sistnämnda, som är ett speciellt exempel på vätesprickning , uppvisar alla de andra fenomenet subkritisk spricktillväxt , dvs. små ytfel sprider sig (vanligtvis jämnt) under förhållanden där sprickmekaniken förutspår att fel inte ska inträffa. Det vill säga, i närvaro av en korrodent utvecklas och fortplantar sig sprickor långt under kritisk spänningsintensitetsfaktor ( ${\displaystyle K_{\mathrm {Ic} }})$ . Det subkritiska värdet för spänningsintensiteten, betecknat som ${\displaystyle K_{\mathrm {Iscc} }} ,$ kan vara mindre än 1 % av $K_{\mathrm {Ic} }$ .

Polymerer

En liknande process ( sprickbildning i miljön ) inträffar i polymerer när produkter utsätts för specifika lösningsmedel eller aggressiva kemikalier som syror och alkalier . Precis som med metaller är attacken begränsad till specifika polymerer och speciella kemikalier. Således polykarbonat känsligt för angrepp av alkalier, men inte av syror. Å andra sidan bryts polyestrar lätt ned av syror, och SCC är en trolig felmekanism . Polymerer är känsliga för sprickbildning i miljön där angripande ämnen inte nödvändigtvis bryter ned materialen kemiskt. Nylon är känsligt för nedbrytning av syror, en process som kallas hydrolys , och nylonlister kommer att spricka när de angrips av starka syror.

Närbild av trasig nylonbränslerörskoppling orsakad av SCC

Exempelvis visade brottytan på en bränslekoppling den progressiva tillväxten av sprickan från syraangrepp (Ch) till den slutliga spetsen (C) av polymer. I detta fall orsakades felet av hydrolys av polymeren genom kontakt med svavelsyra som läckte från ett bilbatteri . Nedbrytningsreaktionen är motsatsen till syntesreaktionen av polymeren:

Ozonsprickor i naturgummislangar _

Sprickor kan bildas i många olika elastomerer genom ozonangrepp , en annan form av SCC i polymerer. Små spår av gasen i luften kommer att angripa dubbelbindningar i gummikedjor, där naturgummi , styren-butadiengummi och nitrilbutadiengummi är mest känsliga för nedbrytning. Ozonsprickor bildas i produkter under spänning, men den kritiska belastningen är mycket liten. Sprickorna är alltid orienterade i rät vinkel mot töjningsaxeln, så de kommer att bildas runt omkretsen i ett överböjt gummirör. Sådana sprickor är farliga när de uppstår i bränslerör eftersom sprickorna kommer att växa från de yttre exponerade ytorna in i rörets hål, så bränsleläckage och brand kan följa. Ozonsprickor kan förhindras genom att tillsätta anti-ozonanter till gummit före vulkanisering . Ozonsprickor sågs ofta i bildäckssidor , men ses nu sällan tack vare användningen av dessa tillsatser. Å andra sidan återkommer problemet i oskyddade produkter som gummislangar och tätningar.

Keramik

Denna effekt är betydligt mindre vanlig i keramer som vanligtvis är mer motståndskraftiga mot kemiska angrepp. Även om fasförändringar är vanliga i keramik under påfrestning, resulterar dessa vanligtvis i seghet snarare än fel (se Zirkoniumdioxid) . Nyligen genomförda studier har visat att samma drivkraft för denna härdningsmekanism också kan öka oxidationen av reducerad ceriumoxid, vilket resulterar i långsam spricktillväxt och spontant fel på täta keramiska kroppar.

Glas

Illustrerade är områden med olika sprickutbredning under spänningskorrosionssprickning. I region I domineras sprickutbredningen av kemiskt angrepp av ansträngda bindningar i sprickan. I region II kontrolleras förökningen genom diffusion av kemikalier in i sprickan. I region III når spänningsintensiteten sitt kritiska värde och fortplantar sig oberoende av dess omgivning.

Subkritisk sprickutbredning i glas delas in i tre regioner. I region I ökar sprickutbredningshastigheten med omgivande luftfuktighet på grund av spänningsförstärkt kemisk reaktion mellan glaset och vattnet. I region II är sprickutbredningshastigheten diffusionskontrollerad och beroende på den hastighet med vilken kemiska reaktanter kan transporteras till sprickans spets. I region III är sprickutbredningen oberoende av dess omgivning, efter att ha nått en kritisk spänningsintensitet. Andra kemikalier än vatten, som ammoniak, kan inducera subkritisk sprickutbredning i kiselglas, men de måste ha ett elektrondonatorställe och ett protondonatorställe .

Förebyggande

De återstående tryckspänningarna som åstadkoms laserblästring kontrolleras exakt både vad gäller plats och intensitet och kan appliceras för att mildra skarpa övergångar till dragområden. Laserblästring ger djupa kvarvarande tryckspänningar i storleksordningen 10 till 20 gånger djupare än konventionell kulblästring, vilket gör dem betydligt mer fördelaktiga för att förhindra SCC. Laserpeening används i stor utsträckning inom flyg- och kraftgenereringsindustrin i gaseldade turbinmotorer.

Anmärkningsvärda misslyckanden

Den kollapsade Silver Bridge , sett från Ohio- sidan

En gasöverföringsledning med en diameter på 32 tum, norr om Natchitoches, Louisiana , som tillhör Tennessee Gas Pipeline exploderade och brann från SCC den 4 mars 1965 och dödade 17 människor. Minst 9 andra skadades och 7 hem 450 fot från bristningen förstördes.
SCC orsakade den katastrofala kollapsen av Silver Bridge i december 1967, när en hängbro över floden Ohio vid Point Pleasant , West Virginia , plötsligt misslyckades. Huvudkedjan misslyckades och hela strukturen föll i floden och dödade 46 personer som färdades i fordon över bron. Rost i ögonstångsleden hade orsakat en spänningskorrosionsspricka, som blev kritisk till följd av hög brobelastning och låg temperatur. Misslyckandet förvärrades av en hög nivå av kvarvarande stress i ögonstången. Katastrofen ledde till en rikstäckande omvärdering av broar.

Se även

Rättskemi – Rättsmedicinsk tillämpning av studiet av kemi
Kriminalteknik – Utredning av misslyckanden i samband med rättsligt ingripande
Kriminalteknisk materialteknik – gren av rättsmedicinsk teknik
Forensic polymer engineering – Studie av fel i polymera produkter
Sprickmekanik – Mekanikområde som studerar spridningen av sprickor i material
Sprickbildning i miljön – Spröda brott hos termoplastiska polymerer
Miljöspänningsfraktur – Generiskt namn för för tidigt brott under påverkan av dragspänningar och skadliga miljöer
Väteförsprödning – Reduktion av duktiliteten hos en metall som exponeras för väte
Ozonsprickor – Sprickor i många olika elastomerer på grund av ozonangrepp
Polymernedbrytning – Förändring av polymerens egenskaper under påverkan av miljöfaktorer
Säsongsprickor – Form av spänningskorrosionssprickor av patronhylsor i mässing
Sulfidspänningssprickning – Form av väteförsprödning på grund av vätesulfid

Anteckningar

Källor

ASM International, Metals Handbook (Desk Edition) Kapitel 32 (Failure Analysis), American Society for Metals, (1997) s 32–24 till 32-26
ASM Handbook Volym 11 "Fejlanalys och förebyggande" (2002) "Stress-Corrosion Cracking" Reviderad av WR Warke, American Society of Metals. Sidorna 1738-1820
ASTM (5 november 2018). "ASTM G36-94 (2018) Standardpraxis för att utvärdera motståndskraft mot spänning-korrosionssprickbildning hos metaller och legeringar i en kokande magnesiumkloridlösning" . astm.org . Arkiverad från originalet den 3 december 2022 . Hämtad 1 juni 2022 .
"Mechanical Properties of Ceramics" av John B. Wachtman, W. Roger Cannon och M. John Matthewson. Kapitel 8.