Подпишитесь на обновления сайта. Получайте новые статьи на почту:

РАСЧЕТ СРОКА СЛУЖБЫ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ, ЗАЩИЩЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОГО КАРБИДНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ (ДКПЛ).

УДК 620.193:66.02

Товажнянский Л.Л., Чуняева Л.О.

РАСЧЕТ СРОКА СЛУЖБЫ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ, ЗАЩИЩЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОГО КАРБИДНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ (ДКПЛ).

Национальный технический университет “Харьковский политехнический
институт”

Состояние проблемы. Известно, что диффузионное карбидное поверхностное легирование (ДКПЛ) углеродистых сталей придает им высокую коррозионную стойкость, и позволяет снизить расход ценных легирующих элементов [1].

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в НТУ “ХПИ” и НИФХИ им. Л.Я. Карпова показали, что при поверхностном легировании карбидообразователями железоуглеродистых сплавов, углерод последних играет важную положительную роль, обеспечивая формирование особо плотных карбидных слоев, обладающих более высокой коррозионной стойкостью, чем сплавы типа твердых растворов [2].

Результаты промышленных коррозионных испытаний, проанализированные в работе [3], доказывают возможность и высокую экономическую эффективность использования сталей, защищенных по технологии ДКПЛ, при изготовлении оборудования химических производств. На основании проведенных исследований была разработана новая концепция защиты железоуглеродистых сплавов, позволяющая целенаправленно улучшать физико-химические свойства защитных слоев [4].

Однако до настоящего времени не разработана методика оценки срока службы поверхностно-легированных материалов в агрессивных средах, что делает невозможным инженерный расчет оборудования, спроектированного на их основе.

Цель работы: разработать методику расчета срока службы железоуглеродистых сплавов, защищенных по технологии ДКПЛ, по результатам лабораторных и промышленных коррозионных испытаний.

Методика расчета срока службы железоуглеродистых сплавов, защищенных по технологии ДКПЛ. Для оценки срока службы поверхностно-легированных железоуглеродистых сплавов необходимо учитывать даже незначительные отклонения по толщине защитного слоя и реальной скорости коррозии в агрессивной среде.

Поскольку на измерения зависимых величин при проведении лабораторных испытаний накладываются случайные помехи – ошибки измерения, средние величины являются, лишь оценками генеральных параметров реального процесса. Необходимо определить доверительный интервал с вероятностью, достаточной для удовлетворения требований по надежности химического аппарата. Если задаться вероятностью В=95% и построить доверительный интервал то, с вероятностью 95%, можно утверждать, что генеральный параметр заключен в рамки доверительного интервала. После определения величин генеральных параметров коррозионной стойкости защитного слоя и его толщины можно рассчитать срок службы сплава с определенным доверительным интервалом.

Примерный расчет срока службы железоуглеродистых сплавов, защищенных по технологии ДКПЛ. Для примерного расчета срока службы поверхностно-легированных сплавов, были приняты параметры технологического режима. Процесс диффузионного карбидного поверхностного легирования реализуется на образцах из стали 35, которые подвергается химико-термической обработке в течение 5 часов при температуре нагрева 10500С в соответствии с требованиями технологии.

В таблице 1 приведены данные изменения концентрации хрома KCr % вес в карбидном поверхностном слое толщиной НCr мм, и данные об эффективности антикоррозионной защиты (Kкор – коэффициент коррозии, мм/год), полученные при испытании образцов в 25% растворе HNO3 при 60 оС – Kкор1, и в фильтровой жидкости содового производства NaCl – 254 г/дм3, NH4OH – 120 г/дм3, (NH4)2CO3 – 91 г/дм3, NH4Cl – 8 г/дм3, Na2SO4 – 6 г/дм3 при 70 оС – Kкор2.

В соответствии с десятибалльной шкалой коррозионной стойкости металлов по ГОСТ 13819-68 стойкость ДКПЛ стали 35 в азотной кислоте соответствует группе  полностью устойчивые – балл 1, а в фильтровой жидкости – группе повышенной устойчивости – балл 2. Скорость коррозии до 0,001 и 0,005 мм/год соответственно.

Таблица 1.

Для сравнения расчетных и экспериментальных данных строится доверительный интервал. Для этого находятся оценки математических ожиданий (арифметические средние) величин KCr, Kкор1, Kкор2.

НCr = 0,01056 мм; KCr = 85,25 %; Kкор1 = 0,00078 мм/год; Kкор2 = 0,00254 мм/год.

Разброс измеренных величин относительно среднего значения (оценивается среднеквадратической ошибкой) составил:

где: KCri – замер концентрации хрома, n – число измерений, v = n — 1 – число степеней свободы. Аналогично находим σКкор1 и σКкор2.

σКсr = 1,51 %; σНсr = 0,00081 мм; σКкор1 = 0,0002 мм/год; σКкор2 = 0,00075 мм/год.

В нормальном распределении отдельные замеры не должны выходить за пределы интервалов:

НCr min = НCr – t σНсr; НCr max = НCr + t σНсr

KCrmin = KCr – t σКсr; KCrmax = KCr + t σКсr

Kкор1 min = Kкор1 – t σКкор1; Kкор1 max = Kкор1 + t σКкор1

Kкор2 min = Kкор2 – t σКкор2; Kкор2 max = Kкор2 + t σКкор2

где: t = f (V; B) – квантиль распределения Стьюдента.

Для вероятности В = 95% и V = 15, квантиль распределения t = 2,13. Отсюда:

НCr min = 0,00883; НCr max = 0,01229

KCrmin = 82,02; KCrmax = 88,48

Kкор1 min = 0,00035; Kкор1 max = 0,0012

Kкор2 min = 0,00095; Kкор2 max = 0,00413

Из таблицы 1 видно, что измеренные величины НCr, KCr, Kкор1, Kкор2 не выходят за пределы указанных интервалов. Следовательно, гипотеза о нормальности распределений величин KCr, Kкор1, Kкор2 не может быть отвергнута.

Находим доверительный интервал для средних величин. Ошибки среднего составляют:

σСрНсr = σНсr/n0,5 = 0,0002

σСрКсr = σКсr/n0,5 = 0,3775

σСрКкор1 = σКкор1/n0,5 = 0,00005

σСрКкор2 = σКкор2/n0,5 = 0,00019

Соответственно, 95% доверительный интервал для НCr, KCr, Kкор1, Kкор2 равен:

Cr)min = НCr – t σСрНсr = 0,0101

Cr)max = НCr + t σСрНсr = 0,0109

 (KCr) min = KCr – t σСрКсr = 84,45

(KCr) max = KCr + t σСрКсr = 86,05

(Kкор1) min = Kкор1 – t σСрКкор1 = 0,00067

(Kкор1) max = Kкор1 + t σСрКкор1 = 0,00088

(Kкор2) min = Kкор2 – t σСрКкор2 = 0,00214

(Kкор2) max = Kкор2 + t σСрКкор2 = 0,00294

Исходя из значений доверительных интервалов, можно рассчитать срок службы поверхностно-легированной стали 35 в азотной кислоте и фильтровой жидкости.

τкор1 min = (НCr)min/(Kкор1)max = 11,5 лет

τкор1 max = (НCr)max/(Kкор1)min= 16,3 лет

τкор2 min = (НCr)min/(Kкор2)max= 3,4 лет

τкор2 max = (НCr)max/(Kкор2)min= 5,1 лет

На основании расчета срока службы поверхностно легированной стали 35 можно рекомендовать ее для изготовления аппаратов, работающих в растворах азотной кислоты с гарантированным сроком службы до 10 лет.

Срок службы указанной стали в растворе фильтровой жидкости недостаточен для изготовления реакционных аппаратов, однако она может с успехом заменить сменные детали, быстро выходящие из строя из-за коррозионно-эрозионного износа (крыльчатки насосов, запорная арматура). С целью повышения срока службы в фильтровой жидкости необходимо вводить в защитный слой карбидообразователи, повышающие пассивируемость в хлоридных средах, например молибден, тантал, вольфрам.

Очевидно, толщина карбидного слоя, получаемая по указанному выше режиму на стали 35, недостаточна для достижения оптимального срока службы. Поэтому необходима корректировка режима поверхностного легирования с целью увеличения толщины карбидного слоя.

Выводы.

1. Предложена методика расчета срока службы железоуглеродистых сплавов, защищенных по технологии ДКПЛ, по результатам лабораторных и промышленных коррозионных испытаний.

2. Сталь 35 защищенную карбидом хрома по технологии ДКПЛ в указанном режиме можно рекомендовать для производства аппаратов, работающих в азотнокислых средах.

3. Для увеличения срока службы поверхностно-легированной стали 35 в хлоридных средах необходимо вводить в защитный слой карбидообразователи, повышающие пассивируемость в хлоридных средах, например молибден, тантал, вольфрам.

4.  С целью достижения срока службы 15 лет, оптимального для химического оборудования, необходима корректировка режима защиты стали 35, позволяющая увеличить толщину карбидного слоя до 20-30 мкм.

Литература:

  1. Колотыркин  Я. М.,  Новаковский В. М.,  Заец И.И. и др. Поверхностное противокоррозионное легирование черного металла карбидообразователями // Защита металлов.- 1984.- Т.20, №1.- С. 3-13.
  2. Новаковский В. М., Чуняева Л.О. Теоретическая оценка возможности смыкания карбидной фазы в поверхностных слоях диффузионно — хромируемой стали // Защита металлов.-1992.-Т.28, №6.- С.883-893.
  3. Товажнянский Л.Л., Чуняева Л.О. Разработка высоконадежной антикоррозионной защиты аппаратуры химических производств //ИТЕ – интегрированные технологии и энергосбережение.- Харьков НТУ«ХПИ», 2001.-№3.- С. 106-110.
  4. Чуняева Л.О. Новая концепция защиты железоуглеродистых сплавов //ИТЕ – интегрированные технологии и энергосбережение.- Харьков НТУ«ХПИ», 2001.-№1.- С. 110-114.

УДК 620.193:66.02

Товажнянський Л.Л., Чуняєва Л.О.

РОЗРАХУНОК СТРОКУ СЛУЖБИ ЗАЛІЗОВУГЛЕЦЕВИХ СПЛАВІВ, ЗАХИЩЕНИХ ЗА ТЕХНОЛОГІЄЮ ДИФУЗІЙНОГО КАРБІДНОГО ПОВЕРХНЕВОГО ЛЕГУВАННЯ (ДКПЛ).

Запропонована методика розрахунку строку служби залізовуглецевих сплавів, захищених за технологією ДКПЛ, по результатах лабораторних і промислових корозійних випробувань. Нова методика враховує спеціфічні особливості карбідного шару – малу товщину і дуже високу корозійну стійкість.

UDC 620.193:66.02

Tovagnyanskiy L.L., Chunyayeva L.O.

CALCULATION OF THE SERVICE LIFE OF FERROCARBON ALLOYS, PROTECTED BY MEANS OF DIFFUSION CARBIDE SURFACE ALLOYING TECHNOLOGY (DCSA).

The method of calculation of the service life of ferrocarbon alloys, protected by means of DCSA technology, according to laboratory and industrial corrosion test results has been proposed.   New method takes considers specific properties of carbide layer – small thickness and exclusively high corrosion resistance.

Понравилась статья? Расскажите друзьям.
Общайтесь с нами:

Добавить комментарий