Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей

Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей

У статті встановлено низку нових аспектів у застосуванні підходів механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей з огляду підвищення ризиків порушення цілісності газопроводів, пов’язаних з транспортуванням водню у рамках розвитку водневої енергетики України. Опрацьовано механізм дії спри...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Доповіді НАН України
Дата:2024
Автори: Богданов, В.Л., Назарчук, З.Т., Звірко, О.І.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2024
Теми:
Механіка
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202431
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей / В.Л. Богданов, З.Т. Назарчук, О.І. Звірко // Доповіді Національної академії наук України. — 2024. — № 6. — С. 21-30. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-202431
record_format dspace
spelling Богданов, В.Л.
Назарчук, З.Т.
Звірко, О.І.
2025-03-21T13:17:18Z
2024
Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей / В.Л. Богданов, З.Т. Назарчук, О.І. Звірко // Доповіді Національної академії наук України. — 2024. — № 6. — С. 21-30. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202431
539.42:620.1:661.96
https://doi.org/10.15407/dopovidi2024.06.021
У статті встановлено низку нових аспектів у застосуванні підходів механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей з огляду підвищення ризиків порушення цілісності газопроводів, пов’язаних з транспортуванням водню у рамках розвитку водневої енергетики України. Опрацьовано механізм дії спричинених воднем напружень як чинників деформаційного старіння та мікропошкодженості деформаційної природи у низькоміцних сталях. Показано високу ефективність використання підходів нелінійної механіки руйнування для оцінювання стану сталей з урахуванням деструктивного впливу водню та умов експлуатації. Значну увагу надано особливостям реалізації механізму декогезії у міжфазному розшаруванні сталей.
The presented study establishes new aspects of application of fracture mechanics approaches to assess embrittlement of ferrite-perlitic steels in connection with the increased risks of gas pipelines integrity violation related to hydrogen transportation within the framework of hydrogen energy development in Ukraine. The mechanism of action of hydrogen-induced stresses as factors of deformation aging and microdamage of deformation character in low-strength steels has been investigated. The realization of decohesion-deformation mechanism of microdamage formation in low-strength steels at long-term operation is substantiated. The hypothesis about the possibility of realization of deformation aging as a stage of operational degradation of steels without external mechanical loading, if the source of dislocation generation is internal stresses caused by hydrogenation, has been put forward and experimentally confirmed. The high efficiency of using nonlinear fracture mechanics approaches to assess the condition of steels taking into account the destructive effect of hydrogen and operating conditions has been shown. The hypothesis about the possibility of realization of deformation aging as a stage of operational degradation of steels without external mechanical loading, if the source of dislocation generation is internal stresses caused by hydrogenation, has been put forward and experimentally confirmed. The high efficiency of using nonlinear fracture mechanics approaches to assess the condition of steels taking into account the destructive effect of hydrogen and operating conditions has been shown.
Дослідження виконано за часткової грантової підтримки проєкту № 2022.01/0099 Національним фондом досліджень України.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Механіка
Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей
Peculiarities of the application of physico-chemical mechanics approaches for the evaluation of embrittlement of ferritic-pearlitic steels
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей
spellingShingle Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей
Богданов, В.Л.
Назарчук, З.Т.
Звірко, О.І.
Механіка
title_short Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей
title_full Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей
title_fullStr Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей
title_full_unstemmed Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей
title_sort особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей
author Богданов, В.Л.
Назарчук, З.Т.
Звірко, О.І.
author_facet Богданов, В.Л.
Назарчук, З.Т.
Звірко, О.І.
topic Механіка
topic_facet Механіка
publishDate 2024
language Ukrainian
container_title Доповіді НАН України
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format Article
title_alt Peculiarities of the application of physico-chemical mechanics approaches for the evaluation of embrittlement of ferritic-pearlitic steels
description У статті встановлено низку нових аспектів у застосуванні підходів механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей з огляду підвищення ризиків порушення цілісності газопроводів, пов’язаних з транспортуванням водню у рамках розвитку водневої енергетики України. Опрацьовано механізм дії спричинених воднем напружень як чинників деформаційного старіння та мікропошкодженості деформаційної природи у низькоміцних сталях. Показано високу ефективність використання підходів нелінійної механіки руйнування для оцінювання стану сталей з урахуванням деструктивного впливу водню та умов експлуатації. Значну увагу надано особливостям реалізації механізму декогезії у міжфазному розшаруванні сталей. The presented study establishes new aspects of application of fracture mechanics approaches to assess embrittlement of ferrite-perlitic steels in connection with the increased risks of gas pipelines integrity violation related to hydrogen transportation within the framework of hydrogen energy development in Ukraine. The mechanism of action of hydrogen-induced stresses as factors of deformation aging and microdamage of deformation character in low-strength steels has been investigated. The realization of decohesion-deformation mechanism of microdamage formation in low-strength steels at long-term operation is substantiated. The hypothesis about the possibility of realization of deformation aging as a stage of operational degradation of steels without external mechanical loading, if the source of dislocation generation is internal stresses caused by hydrogenation, has been put forward and experimentally confirmed. The high efficiency of using nonlinear fracture mechanics approaches to assess the condition of steels taking into account the destructive effect of hydrogen and operating conditions has been shown. The hypothesis about the possibility of realization of deformation aging as a stage of operational degradation of steels without external mechanical loading, if the source of dislocation generation is internal stresses caused by hydrogenation, has been put forward and experimentally confirmed. The high efficiency of using nonlinear fracture mechanics approaches to assess the condition of steels taking into account the destructive effect of hydrogen and operating conditions has been shown.
issn 1025-6415
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202431
citation_txt Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей / В.Л. Богданов, З.Т. Назарчук, О.І. Звірко // Доповіді Національної академії наук України. — 2024. — № 6. — С. 21-30. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT bogdanovvl osoblivostízastosuvannâpídhodívfízikohímíčnoímehaníkidlâocínûvannâkrihkostíferitnoperlítnihstalei
AT nazarčukzt osoblivostízastosuvannâpídhodívfízikohímíčnoímehaníkidlâocínûvannâkrihkostíferitnoperlítnihstalei
AT zvírkooí osoblivostízastosuvannâpídhodívfízikohímíčnoímehaníkidlâocínûvannâkrihkostíferitnoperlítnihstalei
AT bogdanovvl peculiaritiesoftheapplicationofphysicochemicalmechanicsapproachesfortheevaluationofembrittlementofferriticpearliticsteels
AT nazarčukzt peculiaritiesoftheapplicationofphysicochemicalmechanicsapproachesfortheevaluationofembrittlementofferriticpearliticsteels
AT zvírkooí peculiaritiesoftheapplicationofphysicochemicalmechanicsapproachesfortheevaluationofembrittlementofferriticpearliticsteels
first_indexed 2025-11-27T03:47:34Z
last_indexed 2025-11-27T03:47:34Z
_version_ 1850797442797142016
fulltext 21 ОПОВІДІ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6: 21—30 Ц и т у в а н н я: Богданов В.Л., Назарчук З.Т., Звірко О.І. Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6. С. 21— 30. https://doi.org/10.15407/dopovidi2024.06.021 © Видавець ВД «Академперіодика» НАН України, 2024. Стаття опублікована за умовами відкритого доступу за ліцензією CC BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/) МЕХАНІКА MECHANICS https://doi.org/10.15407/dopovidi2024.06.021 УДК 539.42:620.1:661.96 В. Л. Богданов 1 , https://orcid.org/0000-0001-9864-9120 З. Т. Назарчук 2 , https://orcid.org/0000-0003-0402-0570 О. І. Звірко 2 , https://orcid.org/0000-0002-6973-6804 1 Інститут механіки ім. С. П. Тимошенка НАН України, Київ, Україна 2 Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів, Україна E-mail: bogdanov@nas.gov.ua, zinoviy.nazarchuk@gmail.com, olha.zvirko@gmail.com Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей Представлено академіком НАН України Є. І. Крижанівським В статті встановлено низку нових аспектів у застосуванні підходів механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей з огляду підвищен ня ризиків порушення цілісності газопроводів, пов’язаних з транспортуванням водню у рамках розвитку водневої енергетики України. Опрацьовано механізм дії спричинених воднем напружень як чинників деформаційного старіння та мікропошкодженості деформаційної природи у низькоміцних сталях. Показано високу ефективність використання підходів нелінійної механіки руйнування для оцінювання стану сталей з урахуванням деструктивного впливу вод- ню та умов експлуатації. Значну увагу надано особливостям реалізації механізму декогезії у міжфазному розшаруванні сталей. Ключові слова: сталь, руйнування, міцність, механічні властивості, тріщиностійкість, метод J-ін тег- рала, воднева крихкість, деградація. Вступ. Одним із важливих аспектів розвитку водневої енергетики є транспортування водню. Найперспективнішим способом вважають трубопровідний транспорт, зокрема з використанням діючих газопроводів [1]. Вагома частка магістральних газопроводів Укра- їни, що виготовлені з феритно-перлітних сталей, має значний термін експлуатації. При оцінюванні можливості безпечного транспортування водню трубопроводами з терміном експлуатації 30 років та більше необхідно враховувати не тільки потенційно негативний вплив транспортованого водню на механічні властивості сталей [2—9], але також їх екс- плуатаційну деградацію [10, 11], що може супроводжуватися окрихченням, розвитком по- 22 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 В.Л. Богданов, З.Т. Назарчук, О.І. Звірко шкодженості на нано- та мікрорівні, зниженням опору крихкому руйнуванню тощо. Під час транспортування водню інтенсивність наводнювання та окрихчення металу може по- силюватися [1, 12]. Тому необхідним етапом діагностики стану газопроводів та обґрун- тування їх роботоздатності в умовах транспортування водню є аналіз поточних фізико- механічних властивостей сталей. Ступінь окрихчення металу оцінюють за зміною пев- них механічних властивостей (показників пластичності, ударної в’язкості та опору росту тріщини) під дією окрихчувальних чинників. Найбільш чутливими до крихкості металу вважають параметри тріщиностійкості [1, 2, 5—9]. Для низькоміцних і, відповідно, висо- копластичних сталей застосовують метод J–інтегралу нелінійної механіки руйнування [1, 8, 9, 13]. Відомі дослідження механізмів взаємодії феритно-перлітних сталей з воднем ви- конані здебільшого для сталей у стані постачання [2—9] та не враховують вплив умов їх тривалої експлуатації на зміну стану металу. Мета роботи  — аналіз впливу водню на деформування, окрихчення та руйнування феритно-перлітних трубних сталей з урахуванням їх тривалої експлуатації. Воднево-деформаційна мікропошкодженість у низькоміцних феритно-перлітних сталях. Серед розмаїття механізмів деструктивної дії водню на здатність сталей до дефор- мування та руйнування [4] розглядають його пасткування у мікродефектах з утворенням у них напружень, співмірних за рівнем від механічного навантаження. Для низькоміцних сталей (API 5L X42 — API 5L X52, 17Г1С та ін.) це створює передумови для інтенсифікації мікропошкодженості. Загалом високоміцні сталі здебільшого високочутливі до водневої крихкості та розтріскування за дії водню, тоді як низькоміцні — імунні до дії водню. Од- нак для тривало експлуатованих (деградованих за механізмом мікропошкодженості) ста- лей ця закономірність може бути іншою. Аналізуючи механічну ситуацію на мікрорівні, бачимо, що підвищена пластичність, властива низькоміцним сталям, сприяє релаксації пі- кових напружень. Це утруднює досягнення критичної комбінації з концентрацією водню, необхідної для водневого мікророзтріскування. Однак тривала експлуатація сталей пору- шує зазначене загальне правило — в низькоміцних сталях виявляють інтенсивну мікро- пошкодженість і високу схильність до водневого мікро- і макророзтріскування [11]. Тобто, низькоміцна сталь, слабо чутлива до водневої крихкості у стані постачання, набуває такої чутливості під час експлуатації, що посилює ризик порушення цілісності трубопроводів при транспортуванні водню. Висунуто гіпотезу про полегшений розвиток в об’ємі саме низькоміцних сталей роз- сіяної дефектності за механізмом деформування матеріалу під впливом високого тиску водню, рекомбінованого у дефектах. На розвиток дефектів впливають складові мікро- структури, зокрема, неметалеві включення (НВ), орієнтовані у напрямку вальцювання, на межах яких з матрицею формуються нанорозмірні пори, які є ефективними пастками водню. Водень, з одного боку, послаблює когезію між включенням та матрицею (рис. 1, а), а з іншого — акумулюється у порах та інших несуцільностях, що зумовлює розшарування між складовими мікроструктури та наступну деформацію металу під тиском рекомбіно- ваного водню. З часом такі дефекти розвиваються до значних розмірів (рис. 1, б). Схема- тично представлений на рис. 1, в мікродефект ілюструє розшарування по внутрішньому контуру 1 (у наведеному прикладі між НВ і матрицею), тоді як по зовнішньому контуру 2 — деформаційний механізм розвитку дефекту. Віддаль і, відповідно, об’єм порожнини між контуром дефекту і включенням є незначними, що полегшує акумулювання водню ви- 23ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6 Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей сокого тиску. Отже, розвиток мікропошкодженості низькоміцних сталей, полегшений вод- нем, супроводжується поєднанням деформаційного механізму з декогезивним. Як наслі- док, навіть низькоміцна сталь з високим ступенем розвитку об’ємної мікропошкодженості відзначається низьким опором крихкому руйнуванню (зокрема, ударна в’язкість зразків Шарпі зі сталі 17Г1С після 40 років експлуатації складає 125 Дж/см 2 проти 206 Дж/см 2 для її вихідного стану). Таким чином, чутливість низькоміцних феритно-перлітних тривало експлуатованих сталей до водневої крихкості пов’язана з реалізацією воднево-деформа- ційного механізму розвитку дефектності. Деформаційне старіння феритно-перлітних трубних сталей за дії водню. Високий рівень напружень у сталях, викликаний воднем, може впливати як чинник окрихчення на їх деформаційне старіння. Фізична природа деформаційного старіння полягає в осіданні атомів вуглецю та азоту на дислокаціях, що утруднює пластичну деформацію металу. Від- повідно до ДСТУ 9166:2021 у лабораторних умовах для визначення схильності металу до старіння, та, відповідно, окрихчення, його піддають попередній пластичній деформації, яка є джерелом генерування дислокацій, та наступному нагріванню (250 ºС) для дифузії елементів втілення до ядер дислокацій. Висунуто гіпотезу про можливість реалізації деформаційного старіння і без попере- днього механічного навантаження, якщо сталь зазнала наводнювання. Водень у сталі є джерелом створення напружень як чинника генерування дислокацій. Взято до уваги, що напруження, зумовлені наводнюванням, будуть спричиняти мікропластичну деформацію лише у певних структурно обумовлених локальних місцях як пріоритетних для дифузії водню та його акумулювання. Гіпотезу підтвердили експериментально на феритно-перліт- ній сталі 17Г1С, яку досліджували у трьох станах: 1) у вихідному; 2) після низькотемпера- турного відпуску за температури 250 ºС впродовж 1 год (В250); 3) після електролітичного наводнювання (ЕН) та наступного низькотемпературного відпуску за тим самим режи- мом (EH  +  В250). ЕН реалізували у розчині H2SO4 (рН = 2) за густини катодного стру- му і = 50 мА/см 2 тривалістю 100 год. Для атестації сталі у зазначених станах визначили її механічні властивості: границі плинності σ0,2 і міцності σВ, відносне звуження ψ, ударну в’язкість KCV, в’язкість руйнування J0,2 (значення J-інтегралу для приросту тріщини 0,2 мм відповідно до нормативного документу ASTM E 813 з використанням балкових зразків розміром 4х15х160 мм з одностороннім боковим надрізом і втомною тріщиною) та опір ко- 2 мкм 40 мкм HB H2 1 2 ба в Рис. 1. Фрактограми (а, б) та схема (в), що ілюструють відшарування НВ від матриці (а), дефекти воднево- деформаційної природи (б) та їх формування (в): НВ — неметалеве включення; Н2 — молізований водень 24 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 В.Л. Богданов, З.Т. Назарчук, О.І. Звірко розійному розтріскуванню (КР) за зниженням пластичності (відносного звуження) за роз- тягу гладких зразків у корозивному розчині NS4 (табл. 1). Останній оцінили за показником βКР = (1 – ψNS4 / ψпов)·100%, де ψNS4, ψпов — відносне звуження зразків за випробовування розтягом у корозивному середовищі та повітрі, відповідно. Зразки вирізали у поздовжньо- му до осі труби напрямку. Швидкість деформування зразків 10 –3  с -1 у повітрі та 10 –6  с –1 у розчині NS4, відповідно. Хімічний склад розчину NS4, г/л: 0,122 KCl, 0,483 NaHCO3, 0,181 CaCl2∙2H2O та 0,131 MgSO4∙7H2O. Застосування режиму В250 практично не вплинуло на досліджувані властивості ста- лі. Однак сталь, піддана обробці за режимом EH + В250, характеризувалась нижчими в’язкістю руйнування та, особливо, опором крихкому руйнуванню. Це вказує на те, що режим локального деформаційного старіння за участі водню (EH + В250) не вплинув на властивості сталі на макрорівні, незначно знизив їх на мезо- (J0,2) та найвідчутніше — на мікрорівні (опір КР βКР = 25 %). Особливості застосування підходів нелінійної механіки руйнування для оцінюван- ня крихкості сталей за дії водню. Підходи механіки руйнування вважаються найефек- тивнішими для оцінювання опору крихкому, в тому числі воднево-механічному, руйну- ванню сталей [13]. Найчастіше використовують в’язкість руйнування (статичну тріщи- ностійкість), як важливу розрахункову механічну характеристику. Застосовуючи підходи нелінійної механіки руйнування (метод J-інтеграла), згідно з вимогами стандарту ASTM E 813 при навантаженні зразків з попередньо наведеними втомними тріщинами оцінювали Таблиця 1. Механічні властивості та опір крихкому руйнуванню сталі 17Г1С у різних станах за випробовування у повітрі (чисельник) та розчині NS4 (знаменник) Стан металу σ0,2, MПa σВ, MПa ψ, % KCV, Дж/см 2 J0,2, Н/мм βКР, % Постачання 428 / 429 531 / 529 71 / 69 129 / — 322 / — — / 3 В250 433 / 431 535 / 538 72 / 68 125 / — 330 / — — / 4 EH + В250 435 / 434 533 / 537 74 / 53 131 / — 286 / — — / 25 Таблиця 2. Параметри тріщиностійкості J-інтеграл по старту тріщини J0 та в’язкість руйнування KJc сталі 17Г1С залежно від її стану, орієнтації зразків відносно осі труби та впливу водню (швидкість навантаження 0,5 мм/хв) Стан сталі Умови випробовування Орієнтація зразків J0, Н/мм KJc, МПа · м 1/2 Вихідний Без наводнювання Поздовжні 90,2 143,4 Поперечні 38,0 93,0 Наводнювання Поздовжні 85,4 139,5 Поперечні 32,7 86,3 Експлуатований 38 років Без наводнювання Поздовжні 75,0 130,7 Поперечні 49,8 106,5 Наводнювання Поздовжні 53,1 110,0 Поперечні 40,3 95,8 25ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6 Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей рівень J0, що відповідає старту тріщини. Його перераховували за відомою залежністю на критичне значення коефіцієнта інтенсивності напружень KJс. Дослідили вплив водню на в’язкість руйнування феритно-перлітних сталей двох груп міцності з використанням методу J-інтеграла: 17Г1С (група міцності API 5L Х52) та API 5L Х67 у стані постачання (резервні труби) та після 38 (сталь 17Г1С) і 34 (сталь Х67) років екс- плуатації на магістральних газопроводах. Труби мали зовнішні діаметри 1220 та 1420 мм і товщину стінок труби 12,0 та 18,7 мм для сталей 17Г1С та Х67, відповідно. Механічні характеристики сталей: 17Г1С у стані постачання  — σВ = 568 MПa, KCV = 129 Дж/см 2 , в експлуатованому — σВ = 570 MПa, KCV = 103 Дж/см 2 , сталі Х67 у стані постачання — σВ = 577 MПa, KCV = 196 Дж/см 2 , в експлуатованому — σВ = 576 MПa, KCV = 154 Дж/см 2 . Використали балкові зразки з одностороннім боковим надрізом і втомною тріщиною роз- мірами 4×15×100 мм для сталі 17Г1С та 10х18х160 мм для сталі Х67. Перед навантаженням згином їх електролітично наводнювали в розчині H2SO4 (pH1) + 10 г/л тіосечовини за гус- тини струму і = 0,05 мА/см 2 тривалістю 120 год для 17Г1С та 100 год для Х67. Особливістю експериментів було зниження швидкості навантаження (прогину попередньо наводнених зразків) від стандартної 0,5 мм/хв до 0,05 і 0,005 мм/хв. Це повинно сприяти дифузії водню у зону передруйнування в околі вершини тріщини і посилювати його дію. За стандартної швидкості навантаження зразків (0,5 мм/хв) виявили незначне знижен- ня в’язкості руйнування KJc сталі 17Г1С у стані постачання після її попереднього навод- нювання (табл. 2). Водночас, для сталі в експлуатованому стані ці відмінності істотніші (рис.  2). Загалом, тріщиностійкість сталі 17Г1С у вихідному та експлуатованому станах відрізнялася незначно. При цьому за випробовування поздовжніх зразків зафіксували її зниження після тривалої експлуатації, тоді як за випробовування поперечних зразків отримали дещо вищі значення для експлуатованої сталі порівняно з металом у стані по- стачання як без наво днювання так і після нього. Сталі 17Г1С у стані постачання властива значна анізотропія в’язкості руйнування (значення для поздовжніх та поперечних зразків відрізняються на ~ 50 %, тоді як для експлуатованого металу — на ~ 23 %). Для сталі Х67 встановлено зниження тріщиностійкості за випробовування поперечних зразків після попереднього ЕН, інтенсивніше за нижчої швидкості навантаження зразків (табл. 3). Звідси J0 та KJc як воднево-механічні параметри залежать як від умов наводнюван- K J c, М П а · м 1/ 2 160 140 120 100 80 60 40 20 I II IVIII 0 1 2 Рис. 2. В’язкість руйнування KJc (МПа·м 1/2 ) сталі 17Г1С у стані постачання (I, II) та після 38 років експлуатації (III, IV), визначена на поздовжніх (I, III) та поперечних (II, IV) зразках без (1) та після ЕН (2) 26 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 В.Л. Богданов, З.Т. Назарчук, О.І. Звірко ня, так і умов механічного навантаження. Це загалом типово для корозійно-механічних та воднево-механічних показників опору руйнуванню сталей [2, 5, 7], оскільки враховують час впливу агресивних середовищ. Подібно як і для сталі 17Г1С (табл. 2), на відміну до загальноприйнятої закономір- ності високої чутливості показників механіки руйнування до окрихчення сталей, вияв- лено незначні відмінності для вихідного та експлуатованого станів сталі Х67 у значенні J-інтегралу за стартом тріщини ненаводнених зразків та наводнених, однак випробуваних за порівняно високих швидкостей навантаження — 0,5 і 0,05   мм/хв (табл. 3). Така механіч- на поведінка сталей є неочікуваною, оскільки оцінки ударної в’язкості показали відчутну різницю в опорі крихкому руйнуванню для їх різних станів. Її пояснили на основі фракто- графічного аналізу (рис. 3) тим, що експлуатованому металу властиве розшарування, яке ділило потенційну зону поширення попередньо наведеної втомної тріщини по товщині зразка (10 мм) на вузькі прошарки (1—2 мм), що спричинило зростання енергоємності руйнування окремих зразків «мінітовщини» і, як наслідок, макрозразка в цілому. Відомо [14], що поділ фронту тріщини (у цьому випадку — розшаруваннями) ослаблює напружений стан у вершині основної тріщини та, відповідно, зумовлює підвищення в’язкості руйнування. Це вказує на необхідність враховувати специфічну морфологію тріщин статичного підростання в експлуатованих сталях. Тому для подальшого розвитку досліджень складної морфології тріщин при використанні підходів нелінійної механіки руйнування перспективним слід вважати пропозицію [15] збагачення когезивної моделі критичним навантаженням показника тріщиностійкості як чинника розшарування. Важливо зазначити, що згадана модель оперує параметром когезивної міцності, рівень якого знижується, з одного боку, від умов тривалої експлуатації сталі [11], а з іншого — від її наводнювання [4]. За використання найменшої (0,005 мм/хв) швидкості прогину зразків отримано істотно нижче значення в’язкості руйнування для експлуатованої сталі після ЕН (86,7 МПа · м 1/2 про- ти 103,5 МПа · м 1/2 для експлуатованого металу та у стані постачання, відповідно). Це озна- чає, що вплив експлуатації на стан сталі за показниками J0 та KJc зафіксували лише за особли- во жорстких умов прояву водневої крихкості, пов’язаної з інтенсивнішим акумулюванням водню в околі вершини тріщини. Можна припустити, що реалізація ще менших швидкостей навантаження зумовить ще сильніше водневе окрихчення металу зони передруйнування по- переду вершини тріщини і, відповідно, подальший спад в’язкості руйнування. Таблиця 3. Параметри тріщиностійкості J-інтеграл по старту тріщини J0 (Н/мм, у чисельнику) та в’язкість руйнування KJc (МПа·м 1/2 , в знаменнику) сталі API 5L Х67 залежно від її стану, впливу водню та швидкості навантаження (поперечні зразки) Стан сталі Умови випробовування Швидкість навантаження, мм/хв 5 ∙ 10 –1 5 ∙ 10 –2 5 ∙ 10 –3 Вихідний Без наводнювання 188,0 / 207,0 — — Наводнювання 147,0 / 183,0 113,0 / 160,5 47,0 / 103,5 Експлуатований 34 роки Без наводнювання 176,0 / 200,3 — — Наводнювання 150,0 / 185,0 114,0 / 161,0 33,0 / 86,7 27ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6 Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей Застосування методу J-інтеграла ефективне і для випадку електрохімічного механізму наводнювання сталі, який реалізується внаслідок корозійної взаємодії з вологою, конден- сованою у локальних зонах трубопроводу [11], і посилюється за насичення газоподібним воднем [12]. Це моделює експлуатаційні умови транспортування водню на ділянках кон- денсації вологи на внутрішній поверхні труби. В’язкість руйнування сталі 17Г1С, визна- чена експериментально за таких умов наводнювання, є на ~ 9% нижчою, ніж без водню, тобто метал деградує за опором росту тріщини. Отже, оцінювання стану тривало експлуатованих сталей газопроводів та їх роботоз- датності в умовах транспортування водню повинні, насамперед, ґрунтуватися на критерії експлуатаційного зниження їх опору крихкому руйнуванню за дії водню, зокрема, тріщи- ностійкості методом J-інтеграла. Для водневих трубопроводів регламентовано (відповідно до стандарту ASME B31.12) граничне значення тріщиностійкості KJc = 55 МПа · м 1/2 . Від- повідно, сталі газопроводів з тріщиностійкістю вище цього значення можна у першому наближенні вважати придатними для транспортування водню. Обчислений граничний рівень J0 склав 13,3 Н/мм. Базуючись на даних табл. 2 та 3, можна переконатися у тому, що J-інтеграл для досліджених умов є вищим за критичний рівень тріщиностійкості. Подаль- ші дослідження необхідно спрямувати на визначення тріщиностійкості сталей за нижчої швидкості навантаження наводнених зразків, де вплив водню може бути істотнішим, а та- кож на вибіркові дослідження сталей з різних характерних ділянок трубопроводів за чут- ливими до водневої крихкості сталей показниками в’язкості руйнування. Висновки. У контексті розвитку водневої енергетики загалом та викликів, пов’язаних з транспортуванням водню тривало експлуатованою газопровідною мережею України, встановлено низку нових аспектів у реалізації механізмів водневої крихкості феритно- перлітних трубних сталей. Обґрунтовано реалізацію декогезивно-деформаційного меха- нізму формування мікропошкодженості в низькоміцних сталях під час тривалої експлу- атації. Висунуто та експериментально підтверджено гіпотезу про можливість реалізації деформаційного старіння як стадії експлуатаційної деградації сталей і без зовнішнього механічного навантаження, якщо джерелом генерування дислокацій слугують внутрішні 1 2 3 Рис. 3. Макрозлам зразка екс- плуатованої сталі Х67 після випробовування на в’язкість руйнування: 1  — зона втом- ного росту тріщини; 2 — зона статичного підростання трі- щини; 3 — зона доламу зразка 28 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 В.Л. Богданов, З.Т. Назарчук, О.І. Звірко напруження, спричинені наводнюванням. За допомогою експериментальних досліджень опору крихкому руйнуванню сталей, визначеного методом J-інтеграла, встановлено істот- ний вплив швидкості механічного навантаження зразків на тріщиностійкість за дії вод- ню. Запропоновано підхід до оцінювання роботоздатності трубопроводів в умовах тран- спортування водню, який ґрунтується на критерії експлуатаційного зниження в’язкості руйнування сталей за дії водню, визначеного методом J-інтеграла. Дослідження виконано за часткової грантової підтримки проєкту № 2022.01/0099 На- ціональним фондом досліджень України. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Pluvinage G., Toth L., Capelle J. Eff ects of hydrogen addition on design, maintenance and surveillance of gas networks. Processes. 2021. 9(7), art. no. 1219. https://doi.org/10.3390/pr9071219 2. Briottet L., Moro I., Lemoine P. Quantifying the hydrogen embrittlement of pipeline steels for safety considera- tions. Int. J. Hydrog. Energy. 2012. 37(22). Р. 17616—17623. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.05.143 3. Skal’s’kyi V.R., Nazarchuk Z.T., Hirnyi S.I. Eff ect of electrolytically absorbed hydrogen on Young’s modulus of structural steel. Mater. Sci. 2013. 48(4). Р. 491—499. https://doi.org/10.1007/s11003-013-9529-y 4. Ohaeri E., Eduok U., Szpunar J. Hydrogen related degradation in pipeline steel: A review. Int. J. Hydrog. Energy. 2018. 43(31). Р. 14584—14617. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.06.064 5. Depover T., Pérez Escobar D., Wallaert E., Zermout Z., Verbeken K. Eff ect of hydrogen charging on the me- chanical properties of advanced high strength steels. Int. J. Hydrog. Energy. 2014. 39(9). Р. 4647—4656. https:// doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.12.190 6. Boukortt H., Amara M., Hadj Meliani M., Bouledroua O., Muthanna B.G.N., Suleiman R.K., Sorour A.A., Pluvinage G. Hydrogen embrittlement eff ect on the structural integrity of API 5L X52 steel pipeline. Int. J. Hy- drog. Energy. 2018. 43(42). Р. 19615—19624. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.08.149 7. Chatzidouros E. V., Traidia A., Devarapalli R. S., Pantelis D. I., Steriotis T. A., Jouiad M. Eff ect of hydrogen on fracture toughness properties of a pipeline steel under simulated sour service conditions. Int. J. Hydrog. Energy. 2018. 43(11). Р. 5747—5759. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.01.186 8. Сabrini M., Sinigaglia E, Spinelli C., Tarenzi M., Testa C., Bolzoni F. M. Hydrogen embrittlement evaluation of mi- cro alloyed steels by means of J-integral curve. Mater. 2019. 12, art. no. 1843. https://doi.org/10.3390/ma12111843 9. Madi Y., Santana L. M., Belkacemi S., Farrugia V., Meddour A., Marchais P.-J., Bertin M., Furtado J. Mechanical characterization of hydrogen embrittlement in a gaseous environment: An innovative test setup using sub-size specimens. Eng. Fail. Anal. 2024. 162, art. no. 108362. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2024.108362 10. Kryzhanivs’kyi E.I., Nykyforchyn H.M. Specifi c features of hydrogen-induced corrosion degradation of steels of gas and oil pipelines and oil storage reservoirs. Mater. Sci. 2011. 47(2). Р. 127—136. https://doi.org/10.1007/ s11003-011-9390-9 11. Nykyforchyn H., Zvirko O., Tsyrulnyk O., Kret N. Analysis and mechanical properties characterization of op- erated gas main elbow with hydrogen assisted large-scale delamination. Eng. Fail. Anal. 2017. 82. Р. 364—377. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2017.07.015 12. Zvirko O.I., Hredil M.I., Tsyrulnyk O.T., Venhryniuk O.I., Nykyforchyn H.M. Method of assessing the infl uence of gaseous hydrogen on corrosion and hydrogenation of steels. Mater. Sci. 2024. 59(5). Р. 524—531. https://doi. org/10.1007/s11003-024-00807-5 13. Nazarchuk Z.Т., Nykyforchyn H.M. Structural and corrosion fracture mechanics as components of the physico- chemical mechanics of materials. Mater Sci. 2018. 54. Р. 7—21. https://doi.org/10.1007/s11003-018-0151-x 14. Venkateswara Rao K.T., Yu W., Ritchie R.O. Cryogenic toughness of commercial aluminum-lithium alloys: Role of del amination toughening. Metall. Trans. A. 1989. 20. Р. 485—497. https://doi.org/10.1007/BF02653929 15. Богданов В.Л., Селіванов Д.М. Дослідження впливу параметрів тріщиностійкості на критичне наван- таження зразка з тріщиною нормального відриву при триточковому згині в рамках когезійної моделі. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 5. С. 53—61. https://doi.org/10.15407/dopovidi2024.05.053 Надійшло до редакції 19.11.2024 29ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6 Особливості застосування підходів фізико-хімічної механіки для оцінювання крихкості феритно-перлітних сталей REFERENCES 1. Pluvinage, G., Toth, L., & Capelle, J. (2021). Eff ects of hydrogen addition on design, maintenance and surveil- lance of gas networks. Processes, 9, No. 7, 1219. https://doi.org/10.3390/pr9071219 2. Briottet, L., Moro, I., & Lemoine, P. (2012). Quantifying the hydrogen embrittlement of pipeline steels for safety considerations. Int. J. Hydrogen Energy, 37, No. 22, pp. 17616-17623. https://doi.org/10.1016/j. ijhydene.2012.05.143 3. Skal’s’kyi, V.R., Nazarchuk, Z.T., & Hirnyi, S.I. (2013). Eff ect of electrolytically absorbed hydrogen on Young’s modulus of structural steel. Mater. Sci., 48, No. 4, pp. 491-499. https://doi.org/10.1007/s11003-013-9529-y 4. Ohaeri, E., Eduok, U., & Szpunar, J. (2018). Hydrogen related degradation in pipeline steel: A review. Int. J. Hydrog. Energy, 43, No. 31, pp. 14584-14617. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.06.064 5. Depover, T., Pérez Escobar, D., Wallaert, E., Zermout, Z., & Verbeken, K. (2014). Eff ect of hydrogen charging on the mechanical properties of advanced high strength steels. Int. J. Hydrogen Energy, 39, No. 9, pp. 4647-4656. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.12.190 6. Boukortt, H., Amara, M., Hadj Meliani, M., Bouledroua, O., Muthanna, B.G.N., Suleiman, R.K., Sorour, A.A., & Pluvinage, G. (2018). Hydrogen embrittlement eff ect on the structural integrity of API 5L X52 steel pipeline. Int. J. Hydrogen Energy, 43, No. 42, pp. 19615-19624. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.08.149 7. Chatzidouros, E. V., Traidia, A., Devarapalli, R. S., Pantelis, D. I., Steriotis, T. A., & Jouiad, M. (2018). Eff ect of hydrogen on fracture toughness properties of a pipeline steel under simulated sour service conditions. Int. J. Hydrogen Energy, 43, No. 11, pp. 5747-5759. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.01.186 8. Сabrini, M., Sinigaglia, E, Spinelli, C., Tarenzi, M., Testa, C., & Bolzoni, F.M. (2019). Hydrogen embrittlement evaluation of micro alloyed steels by means of J-integral curve. Mater., 12, art. no. 1843. https://doi.org/10.3390/ ma12111843 9. Madi, Y., Santana, L. M., Belkacemi, S., Farrugia, V., Meddour, A., Marchais, P.-J., Bertin, M., & Furtado, J. (2024). Mechanical characterization of hydrogen embrittlement in a gaseous environment: An innovative test setup using sub-size specimens. Eng. Fail. Anal., 162, art. no. 108362. https://doi.org/10.1016/j.engfaila- nal.2024.108362 10. Kryzhanivs’kyi, E.I., & Nykyforchyn, H.M. (2011). Specifi c features of hydrogen-induced corrosion degrada- tion of steels of gas and oil pipelines and oil storage reservoirs. Mater. Sci., 47, No. 2, pp. 127-136. https://doi. org/10.1007/s11003-011-9390-9 11. Nykyforchyn, H., Zvirko, O., Tsyrulnyk, O., & Kret, N. (2017). Analysis and mechanical properties characteri- zation of operated gas main elbow with hydrogen assisted large-scale delamination. Eng. Fail. Anal., 82, pp. 364-377. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2017.07.015 12. Zvirko, O.I., Hredil, M.I., Tsyrulnyk, O.T., Venhryniuk, O.I., & Nykyforchyn, H.M. (2024). Method of assessing the infl uence of gaseous hydrogen on corrosion and hydrogenation of steels. Mater. Sci., 59, No. 5, pp. 524-531. https://doi.org/10.1007/s11003-024-00807-5 13. Nazarchuk, Z.Т., & Nykyforchyn, H.M. (2018). Structural and corrosion fracture mechanics as components of the physicochemical mechanics of materials. Mater Sci., 54, pp. 7-21. https://doi.org/10.1007/s11003-018- 0151-x 14. Venkateswara Rao, K.T., Yu, W., & Ritchie, R.O. (1989). Cryogenic toughness of commercial aluminum- lithium alloys: Role of delamination toughening. Metall. Trans. A, 20, pp. 485-497. https://doi.org/10.1007/ BF02653929 15. Bogdanov, V.L., Selivanov, D.M. (2024). Study of the impact of crack resistance parameters on the critical load of a specimen with a mode I crack under three-point bending in the framework of the cohesive zone model. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, No. 5, pp. 53-61 (in Ukrainian). https://doi. org/10.15407/dopovidi2024.05.053 Received 19.11.2024 30 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 В.Л. Богданов, З.Т. Назарчук, О.І. Звірко V.L. Bogdanov 1 , https://orcid.org/0000-0001-9864-9120 Z.T. Nazarchuk 2 , https://orcid.org/0000-0003-0402-0570 O.I. Zvirko 2 , https://orcid.org/0000-0002-6973-6804 1 S.P. Timoshenko Institute of Mechanics of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine 2 Karpenko Physico-Mechanical Institute of the NAS of Ukraine, Lviv, Ukraine E-mail: bogdanov@nas.gov.ua, zinoviy.nazarchuk@gmail.com, olha.zvirko@gmail.com PECULIARITIES OF THE APPLICATION OF PHYSICO-CHEMICAL MECHANICS APPROACHES FOR THE EVALUATION OF EMBRITTLEMENT OF FERRITIC-PEARLITIC STEELS The presented study establishes new aspects of application of fracture mechanics approaches to assess embrittle- ment of ferrite-perlitic steels in connection with the increased risks of gas pipelines integrity violation related to hydrogen transportation within the framework of hydrogen energy development in Ukraine. The mechanism of action of hydrogen-induced stresses as factors of deformation aging and microdamage of deformation character in low-strength steels has been investigated. The realization of decohesion-deformation mechanism of microdamage formation in low-strength steels at long-term operation is substantiated. The hypothesis about the possibility of realization of deformation aging as a stage of operational degradation of steels without external mechanical load- ing, if the source of dislocation generation is internal stresses caused by hydrogenation, has been put forward and experimentally confirmed. The high efficiency of using nonlinear fracture mechanics approaches to assess the condition of steels taking into account the destructive effect of hydrogen and operating conditions has been shown. The hypothesis about the possibility of realization of deformation aging as a stage of operational degradation of steels without external mechanical loading, if the source of dislocation generation is internal stresses caused by hydrogenation, has been put forward and experimentally confirmed. The high efficiency of using nonlinear frac- ture mechanics approaches to assess the condition of steels taking into account the destructive effect of hydrogen and operating conditions has been shown. Keywords: steel, fracture, strength, mechanical properties, fracture toughness, J-integral method, hydrogen embrittle- ment, degradation.

Схожі ресурси