621.181

високотемпературна воднева деградація
швидкість усталеної повзучості
фрактографічні особливості деградації
механізм руйнування у водні
high-temperature hydrogen degradation
steady creep rate
fractography features of degradation
fracture mechanism in hydrogen

Виявлено, що швидкість усталеної повзучості нижча для металу у вихідному стані порівняно з металом після експлуатації в технологічному процесі гідрокрекінгу нафти. Крім того, ця швидкість у газоподібному водні вища ніж на повітрі, причому для сталі 2,25Cr-1Mo у вихідному стані й після експлуатації. Це свідчить, по-перше про втрату металом під час експлуатації його початкових властивостей, а по-друге про вплив водню й на деградацію, й на процес повзучості. Проаналізовано фрактографічні особливості руйнування сталі 2,25Cr-1Mo після випроб на повзучість у вихідному стані та після експлуатації. Встановлено, що руйнування за повзучості відбувається за класичним в’язким механізмом шляхом зародження, зростання та об'єднання пор. Фрактографічною особливістю деградованої сталі є великі глибокі ямки, спричинені декогезією неметалевих включень від матриці. Крім того, виявили великі плиткі дископодібні ямки з дрібними мікропорами на їх дні, що виникли навколо карбідів. Обидва типи ямок спричинені воднем, який накопичився в об’ємі металу під час експлуатації.
The unstable properties of steels for the large construction during long term operation are one of the reasons of loss of oil equipment workability. High operating temperature, strain and hydrogenating technological environment are among the main factors of their degradation. The reactor damage causes huge destructions due to high processing parameters (temperature – 450 °C and pressure – 15 MPa) and large its dimensions (diameter up to 4 m, wall thickness up to 0.25 m and height ~20 m). Because that the reactor damage is very dangerous for service staff and environment. Stability of the mechanical properties of the steel of the oil hydrocracking reactor body during long-term exploitation is very important to guarantee it save workability. That’s why it is very significant to know metal properties after different service life for prediction of the material workability. The 2,25 Cr–1Mo steel in the initial state and after high-temperature degradation in hydrogenated environment under working conditions of hydrocracking reactor service for 6•104 hours (as the specimen-witnesses) were creep tested. The steady creep rates for both variants of heat-resistant steel were estimated in hydrogen and in air. It was revealed that steady creep rate of virgin metal is lower compared with metal exploited into oil hydrocracking process. The degradation of the metal in operating conditions increases creep strain rate in air and hydrogen compared with unexploited metal. More over the steady creep rate of the 2,25Cr-Mo steel in virgin state and serviced one creep tested in hydrogen is higher than in air. It firstly means that initial properties of the steel are exhausted during service, and secondly that hydrogen simultaneously effects on the degradation and creep processes too. The hydrogen intensities of the diffusion process and consequently accelerate of the steel degradation and makes easy of the creep process. The fractography features after creep test of the 2,25Cr-1Mo steel in the initial and after the operation during 6•104 hours in the process of oil hydrocracking process were analyzed. It was found the creep fracture occurs according to the classic ductile mechanism of nucleation, growth and association of pores. Special fractographical feature of degraded steel is large and at the same time deep holes caused by decohesion nonmetallic inclusions from the matrix. The next feature is the big and at the same time plate disc-like dimples with the small micro pores around carbides on their bottom. Both types of holes were initiated under the influence of hydrogen accumulated by bulk metal during operation. They become more visible at the creep test in hydrogen because their initiation is additionally stimulated by hydrogen, absorption by metal from the tested environment.

1. Локощенко, А.М. Ползучесть и длительная прочность металлов в агрессивных середах [Текст] / А.М. Локощенко. // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2001. – Т. 37, № 4. – С. 27 – 41.
2. Testing of welded 2.25CrMo steel, in hot, high-pressure hydrogen under creep conditions / G. Manna, P. Castello, F. Harskamp [et al.] // Engineering Fracture Mechanics. – 2007. – V. 74. – P. 956 – 968.
3. Бабій, Л. Властивості корпусної сталі 15Х2МФА за умов повзучості у газоподібному водні / Бабій Л., Студент О., Загурський А. // Фіз.-хім. механіка матеріалів. Спец.вип. – 2008. – Т. 1. № 7. – C. 100 – 105.
4. Бабій, Л. Оцінювання тривалої міцності корпусних сталей реактора гідрокрекінгу нафти з використанням параметра Ларсона-Міллера / Бабій Л., Студент О., Загурський А. // Вісник ТНТУ. – 2011. – Спецвипуск – Частина 2. – С. 177 – 184.
5. Бичем, К.Д. Микропроцессы разрушения. [Текст] // Микроскопические и макроскопические основы механики разрушения; пер. с англ; под ред. А.Ю. Ишлинского. – М.: Мир, 1973. – Т. 1. – С. 265 – 375.
6. Романів, О.М. Електронна фрактографія зміцнених сталей. [Текст] / Зима Ю.В., Карпенко Г.В / – К.: Наукова думка, 1974. – 207 с.
7. Иванова, В.С. Количественная фрактография. [Текст] / Шанявский А.А. / – Челябинск: Металлургия, 1988. – 400 с.
8. Bandstra J.P. and Koss D.A. On the influence of void clusters on void growth and coalescence during ductile fracture // Acta Mat. – 2008. – 56, № 16. – P. 4429 – 4439.
9. The size dependence of micro-toughness in ductile fracture / K. Srinivasan, Yo. Huang, O. Kolednik and T. Siegmund // J. of the Mech. and Phys. of Solids. – 2008. – 56, № 8. – P. 2707 – 2726.
10. Jacobsson L., Persson C. In situ scanning electron microscopy study of fatigue crack propagation // Strength of Mater. – 2008. – 40, № 1. – Р. 146 – 149.
11. Кількісний аналіз структурних змін у сталі внаслідок високотемпературної витримки у водні [Текст] / О.З. Студент, Б.П. Русин, Б.В. Кисіль, М.І. Кобасяр, Т.П. Стахів, А.Д. Марков // Фіз.-хiм. механiка матерiалiв. – 2003. – 39, № 1. – С. 22 – 28. (Quantitative analysis of structural changes in steel caused by high-temperature holding in hydrogen / O.Z. Student, B.P. Rusyn, B.P. Kysil’, M.I. Kobasyar, T.P. Stakhiv, A.D. Markov // Materials Science. – 2003. – 39, 1. – P. 17 – 24.).
12. Автоматизоване визначення геометрії зерен в експлуатованій паропровідній сталі [Текст] / І.М. Журавель, Л.М. Свірська, О.З. Студент, Р.А. Воробель, Г.М. Никифорчин // Фіз.-хiм. механiка матерiалiв. – 2009. – № 3. – С. 23 – 29.(Automated determination of grain geometry in an exploited steam-pipeline steel / I.M. Zhuravel’, L.M. Svirs’ka, O.Z. Student, R.A. Vorobel’, H.M. Nykyforchyn // Materials Science. – 2009. – 45, 3. – P. 350 – 357).
13. Автоматичне виділення та кількісний аналіз карбідів на межах зерен сталі 12Х1МФ після експлуатації на парогоні ТЕС [Текст] / Воробель Р.А., Журавель І.М., Свірська Л.М., Студент О.З. // Фiз.-хiм. механiка матерiалiв. – 2011. – 47, № 3. – С. 109 – 115. (Automatic selection and quantitative analysis of carbides on grain boundaries of 12Kh1MF steel after operation at a steam pipeline of a thermal power plant / R.A. Vorobel’, I.M. Zhuravel’, L.M. Svirs’ka, O.Z. Student // Materials Science. – 2011. – 47, 3. – P. 393 – 400.
14. Комп’ютерний аналіз характерних елементів фрактографічних зображень [Текст] / Косаревич Р.Я., Студент О.З., Свірська Л.М., Русин Б.П., Никифорчин Г.М. // Фiзико-хiмiчна механiка матерiалiв. – 2012. – 48, № 4. – С. 53 – 60. (Computer analysis of characteristic elements of fractographic images / Kosarevych R.Ya., Student O.Z., Svirs’ka L.M., Rusyn B.P., Nykyforchyn H.M. // Materials Science. – 2013. – 48, 4. – P. 474 – 481).
15. Кречковська, Г.В. Фрактографічні ознаки механізмів транспортування впливу водню в конструкційних сталях [Текст] / Г.В. Кречковська // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. – 2015. – № 4. – С. 67 – 70.
16. Student, O.Z. An accelerated method of hydrogen degradation of structural steels by thermocycling / O.Z. Student // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. – 1998. – № 4. – С. 45 – 52. (Student O.Z. Accelerated method for hydrogen degradation of structural steel / O.Z. Student // Material Science. – 1998. – 34, № 4. – P. 497 – 507).
17. Повзучість у водні експлуатованої сталі 2,25Cr-Mo [Текст] / Л.О. Бабій, О.З. Студент, А. Загурський, А.Д. Марков // Фіз.-хiм. механiка матерiалiв. – 2007. – 43, № 5. – С. 91 – 96. (Creep of degraded 2.25 Cr-Mo steel in hydrogen / L.O. Babii, O.Z. Student, A. Zagorski, A.D. Markov // Materials Science – 2007. – 43, 5. – P. 701–707).
18. Особливості повзучості сталі 2,25Сr-Мо після експлуатації в реакторі гідрокрекфінгу нафти [Текст] / Л.О. Бабій, А. Загурський, О.З. Студент [та ін.] // Наукові нотатки. – 2007. – Вип. 20. – С. 4 – 9.

1. Lokoshchenko, A.M. Polzuchest y dlytelnaia prochnost metallov v ahressyvnykh seredakh [Text], A.M. Lokoshchenko., Fiz.-khim. mekhanika materialiv, 2001, V. 37, No 4, P. 27 – 41.
2. Testing of welded 2.25CrMo steel, in hot, high-pressure hydrogen under creep conditions, G. Manna, P. Castello, F. Harskamp [et al.], Engineering Fracture Mechanics, 2007, V. 74, P. 956 – 968.
3. Babii, L. Vlastyvosti korpusnoi stali 15Kh2MFA za umov povzuchosti u hazopodibnomu vodni, Babii L., Student O., Zahurskyi A., Fiz.-khim. mekhanika materialiv. Spets.vyp, 2008, V. 1. No 7, P. 100 – 105.
4. Babii, L. Otsiniuvannia tryvaloi mitsnosti korpusnykh stalei reaktora hidrokrekinhu nafty z vykorystanniam parametra Larsona-Millera, Babii L., Student O., Zahurskyi A., Visnyk TNTU, 2011, Spetsvypusk – Chastyna 2, P. 177 – 184.
5. Bichem, K.D. Mikroprotsessy razrusheniia. [Text], Mikroskopicheskie i makroskopicheskie osnovy mekhaniki razrusheniia; per. s anhl; ed. A.Iu. Ishlinskoho, M., Mir, 1973, V. 1, P. 265 – 375.
6. Romaniv, O.M. Elektronna fraktohrafiia zmitsnenykh stalei. [Text], Zyma Yu.V., Karpenko H.V, K., Naukova dumka, 1974, 207 p.
7. Ivanova, V.S. Kolichestvennaia fraktohrafiia. [Text], Shaniavskii A.A., Cheliabinsk: Metallurhiia, 1988, 400 p.
8. Bandstra J.P. and Koss D.A. On the influence of void clusters on void growth and coalescence during ductile fracture, Acta Mat, 2008, 56, No 16, P. 4429 – 4439.
9. The size dependence of micro-toughness in ductile fracture, K. Srinivasan, Yo. Huang, O. Kolednik and T. Siegmund, J. of the Mech. and Phys. of Solids, 2008, 56, No 8, P. 2707 – 2726.
10. Jacobsson L., Persson C. In situ scanning electron microscopy study of fatigue crack propagation, Strength of Mater, 2008, 40, No 1, R. 146 – 149.
11. Kilkisnyi analiz strukturnykh zmin u stali vnaslidok vysokotemperaturnoi vytrymky u vodni [Text], O.Z. Student, B.P. Rusyn, B.V. Kysil, M.I. Kobasiar, T.P. Stakhiv, A.D. Markov, Fiz.-khim. mekhanika materialiv, 2003, 39, No 1, P. 22 – 28. (Quantitative analysis of structural changes in steel caused by high-temperature holding in hydrogen, O.Z. Student, B.P. Rusyn, B.P. Kysil, M.I. Kobasyar, T.P. Stakhiv, A.D. Markov, Materials Science, 2003, 39, 1, P. 17 – 24.).
12. Avtomatyzovane vyznachennia heometrii zeren v ekspluatovanii paroprovidnii stali [Text], I.M. Zhuravel, L.M. Svirska, O.Z. Student, R.A. Vorobel, H.M. Nykyforchyn, Fiz.-khim. mekhanika materialiv, 2009, No 3, P. 23 – 29.(Automated determination of grain geometry in an exploited steam-pipeline steel, I.M. Zhuravel, L.M. Svirska, O.Z. Student, R.A. Vorobel, H.M. Nykyforchyn, Materials Science, 2009, 45, 3, P. 350 – 357).
13. Avtomatychne vydilennia ta kilkisnyi analiz karbidiv na mezhakh zeren stali 12Kh1MF pislia ekspluatatsii na parohoni TES [Text], Vorobel R.A., Zhuravel I.M., Svirska L.M., Student O.Z., Fiz.-khim. mekhanika materialiv, 2011, 47, No 3, P. 109 – 115. (Automatic selection and quantitative analysis of carbides on grain boundaries of 12Kh1MF steel after operation at a steam pipeline of a thermal power plant, R.A. Vorobel, I.M. Zhuravel, L.M. Svirska, O.Z. Student, Materials Science, 2011, 47, 3, P. 393 – 400.
14. Kompiuternyi analiz kharakternykh elementiv fraktohrafichnykh zobrazhen [Text], Kosarevych R.Ya., Student O.Z., Svirska L.M., Rusyn B.P., Nykyforchyn H.M., Fizyko-khimichna mekhanika materialiv, 2012, 48, No 4, P. 53 – 60. (Computer analysis of characteristic elements of fractographic images, Kosarevych R.Ya., Student O.Z., Svirska L.M., Rusyn B.P., Nykyforchyn H.M., Materials Science, 2013, 48, 4, P. 474 – 481).
15. Krechkovska, H.V. Fraktohrafichni oznaky mekhanizmiv transportuvannia vplyvu vodniu v konstruktsiinykh staliakh [Text], H.V. Krechkovska, Fiz.-khim. mekhanika materialiv, 2015, No 4, P. 67 – 70.
16. Student, O.Z. An accelerated method of hydrogen degradation of structural steels by thermocycling, O.Z. Student, Fiz.-khim. mekhanika materialiv, 1998, No 4, P. 45 – 52. (Student O.Z. Accelerated method for hydrogen degradation of structural steel, O.Z. Student, Material Science, 1998, 34, No 4, P. 497 – 507).
17. Povzuchist u vodni ekspluatovanoi stali 2,25Cr-Mo [Text], L.O. Babii, O.Z. Student, A. Zahurskyi, A.D. Markov, Fiz.-khim. mekhanika materialiv, 2007, 43, No 5, P. 91 – 96. (Creep of degraded 2.25 Cr-Mo steel in hydrogen, L.O. Babii, O.Z. Student, A. Zagorski, A.D. Markov, Materials Science – 2007, 43, 5, P. 701–707).
18. Osoblyvosti povzuchosti stali 2,25Sr-Mo pislia ekspluatatsii v reaktori hidrokrekfinhu nafty [Text], L.O. Babii, A. Zahurskyi, O.Z. Student [and other], Naukovi notatky, 2007, Iss. 20, P. 4 – 9.