Korozja zmęczeniowa – przyczyny, mechanizm i zapobieganie

Pobierz opis w pdf

Korozja zmęczeniowa, określana również jako corrosion fatigue, jest procesem niszczenia materiału wynikającym z jednoczesnego działania środowiska korozyjnego oraz zmiennych, cyklicznych naprężeń mechanicznych.
Materiał poddawany powtarzającym się obciążeniom może ulec zmęczeniu nawet wtedy, gdy naprężenia są znacznie niższe od jego wytrzymałości na rozciąganie.

Jeżeli jednocześnie występuje środowisko korozyjne, pęknięcia mogą powstawać szybciej, rozwijać się przy niższych naprężeniach i prowadzić do uszkodzenia elementu po znacznie mniejszej liczbie cykli niż w środowisku obojętnym.
Korozja zmęczeniowa ma szczególne znaczenie w elementach poddawanych drganiom, zmianom ciśnienia, temperatury lub obciążenia, takich jak rurociągi, wały, pompy, turbiny, wymienniki ciepła, konstrukcje morskie i elementy maszyn.

Co to jest korozja zmęczeniowa?

Korozja zmęczeniowa występuje wtedy, gdy materiał jest jednocześnie poddawany:

• cyklicznym lub zmiennym naprężeniom,
• działaniu środowiska korozyjnego.

Oba mechanizmy wzajemnie się wzmacniają.
Cykliczne odkształcenia mogą uszkadzać warstwę ochronną znajdującą się na powierzchni metalu, natomiast korozja może ułatwiać inicjację i rozwój pęknięcia zmęczeniowego.
W efekcie materiał może ulec awarii przy naprężeniach, które w suchym powietrzu nie spowodowałyby uszkodzenia w porównywalnym czasie.

Jak powstaje korozja zmęczeniowa?

Proces można w uproszczeniu przedstawić w kilku etapach:

1. element poddawany jest powtarzającym się obciążeniom,
2. na powierzchni powstają lokalne odkształcenia i koncentracje naprężeń,
3. warstwa ochronna lub pasywna zostaje lokalnie uszkodzona,
4. odsłonięty metal reaguje ze środowiskiem,
5. powstają lokalne ogniska korozji,
6. w miejscach tych łatwiej inicjują się mikropęknięcia,
7. kolejne cykle obciążenia powodują rozwój pęknięcia,
8. środowisko korozyjne dodatkowo przyspiesza jego propagację,
9. po osiągnięciu krytycznej długości pęknięcia może nastąpić nagłe pęknięcie elementu.

Zmęczenie materiału bez korozji

Zmęczenie mechaniczne jest procesem stopniowego powstawania i rozwoju pęknięć pod wpływem powtarzających się obciążeń.
Element może ulec zniszczeniu nawet wtedy, gdy maksymalne naprężenie podczas pojedynczego cyklu jest znacznie niższe od jego wytrzymałości na rozciąganie.
Typowy proces zmęczeniowy obejmuje:

• inicjację mikropęknięcia,
• stopniową propagację pęknięcia,
• końcowe gwałtowne pęknięcie pozostałego przekroju.

Na trwałość zmęczeniową bardzo silnie wpływają geometria elementu, spoiny, otwory, ostre naroża, karby i inne miejsca koncentracji naprężeń.

Dlaczego korozja przyspiesza zmęczenie materiału?

Środowisko korozyjne może zwiększać podatność na zmęczenie na kilka sposobów.
Korozja może powodować:

• powstawanie wżerów,
• chropowacenie powierzchni,
• lokalne zmniejszenie przekroju,
• uszkadzanie warstwy ochronnej,
• powstawanie miejsc koncentracji naprężeń,
• przyspieszenie wzrostu istniejącego pęknięcia.

Nawet niewielki wżer może zachowywać się jak mikroskopijny karb.
Na jego dnie naprężenia mogą być znacznie większe niż na gładkiej powierzchni materiału.
Dlatego korozja wżerowa może stać się punktem inicjacji pęknięcia zmęczeniowego.

Uszkadzanie warstwy pasywnej stali nierdzewnej

Stale nierdzewne posiadają bardzo cienką warstwę pasywną zawierającą związki chromu.
Warstwa ta chroni powierzchnię przed dalszą korozją.
Pod wpływem cyklicznych odkształceń może być lokalnie uszkadzana.
W odpowiednim środowisku stal nierdzewna posiada zdolność do jej odtwarzania, czyli repasywacji.
Jeżeli jednak kolejne cykle naprężenia wielokrotnie niszczą warstwę pasywną, lokalna korozja może zachodzić szybciej niż skuteczna odbudowa powierzchni.
Powtarzający się proces:
uszkodzenie warstwy → korozja → repasywacja → ponowne uszkodzenie
może ułatwiać inicjację i rozwój pęknięcia zmęczeniowego.

Granica zmęczenia a środowisko korozyjne

W badaniach zmęczeniowych niektórych materiałów w powietrzu można obserwować poziom naprężenia, poniżej którego materiał może wytrzymać bardzo dużą liczbę cykli bez zniszczenia.
W środowisku korozyjnym sytuacja może wyglądać inaczej.
Korozja może obniżyć lub nawet praktycznie zlikwidować wyraźną granicę zmęczenia.
Oznacza to, że wraz ze wzrostem liczby cykli wytrzymałość zmęczeniowa nadal może się zmniejszać.
Dlatego przy korozji zmęczeniowej bardzo ważne jest podawanie nie tylko wartości naprężenia, ale także liczby cykli i warunków środowiska.

Krzywe S-N i korozja zmęczeniowa

Odporność zmęczeniową materiałów często przedstawia się za pomocą krzywych S-N, czyli zależności pomiędzy poziomem naprężenia a liczbą cykli do zniszczenia.
W środowisku korozyjnym krzywa S-N może przebiegać niżej niż w powietrzu.
Oznacza to, że:

• przy tym samym naprężeniu materiał może wytrzymać mniej cykli,
• dla tej samej wymaganej liczby cykli należy zastosować mniejsze naprężenie.

Nie można więc bezpośrednio przenosić wyników badań zmęczeniowych wykonanych w powietrzu na element pracujący w agresywnym środowisku.

Najważniejsze czynniki wpływające na korozję zmęczeniową

Na trwałość materiału wpływają jednocześnie parametry mechaniczne i środowiskowe.
Najważniejsze są:

• amplituda naprężenia,
• średnie naprężenie,
• częstotliwość obciążenia,
• liczba cykli,
• rodzaj środowiska,
• temperatura,
• pH,
• zawartość chlorków,
• zawartość tlenu,
• stan powierzchni,
• obecność wżerów i innych uszkodzeń,
• naprężenia własne,
• geometria elementu,
• jakość spoin.

Wpływ częstotliwości obciążenia

Częstotliwość zmian obciążenia może mieć duże znaczenie.
Przy wolniejszych cyklach środowisko korozyjne ma więcej czasu na oddziaływanie z powierzchnią oraz z końcem rozwijającego się pęknięcia.
Dlatego w niektórych środowiskach obniżenie częstotliwości obciążenia może zwiększyć wpływ korozji na trwałość zmęczeniową.
Nie oznacza to jednak jednej uniwersalnej zależności obowiązującej dla wszystkich materiałów i środowisk.

Wpływ temperatury

Wzrost temperatury może przyspieszać reakcje korozyjne oraz wpływać na właściwości mechaniczne materiału.
Dlatego w wielu środowiskach podwyższona temperatura może zmniejszać trwałość zmęczeniową.
Znaczenie temperatury zależy jednak od:

• rodzaju materiału,
• składu medium,
• rodzaju korozji,
• częstotliwości obciążenia,
• poziomu naprężeń.

Korozja wżerowa a zmęczenie

Korozja wżerowa może być szczególnie niebezpieczna dla elementów poddawanych cyklicznym naprężeniom.
Wżer tworzy lokalne zagłębienie, w którego dnie występuje koncentracja naprężeń.
Pęknięcie zmęczeniowe może rozpocząć się właśnie w takim miejscu.
Możliwy jest więc następujący mechanizm:

1. powstaje niewielki wżer,
2. wżer stopniowo się pogłębia,
3. na jego dnie wzrastają lokalne naprężenia,
4. inicjuje się mikropęknięcie,
5. cykliczne obciążenia powodują jego dalszy rozwój,
6. środowisko korozyjne przyspiesza propagację pęknięcia.

Z tego powodu zapobieganie korozji wżerowej może mieć bezpośrednie znaczenie dla trwałości zmęczeniowej elementu.

Korozja zmęczeniowa w spoinach

Połączenia spawane należą do miejsc szczególnie narażonych na zmęczenie i korozję zmęczeniową.
W pobliżu spoin mogą występować:

• koncentracje naprężeń,
• naprężenia własne po spawaniu,
• nierówności geometryczne,
• podtopienia i inne nieciągłości,
• zmieniona struktura materiału,
• większa chropowatość powierzchni.

Karby geometryczne w miejscu przejścia spoiny w materiał podstawowy mogą znacznie zwiększać lokalne naprężenia.
Jeżeli miejsce to pozostaje jednocześnie w kontakcie ze środowiskiem korozyjnym, ryzyko inicjacji pęknięcia wzrasta.

Wpływ stanu powierzchni

Stan powierzchni ma bardzo duży wpływ na odporność zmęczeniową.
Rysy, zadrapania, karby, ślady obróbki oraz wżery mogą działać jako koncentratory naprężeń.
Powierzchnia gładka i wolna od uszkodzeń zwykle wykazuje większą odporność na inicjację pęknięć.
W przypadku stali nierdzewnych istotne jest również usunięcie zanieczyszczeń oraz zachowanie prawidłowego stanu warstwy pasywnej.

304L i 316L a korozja zmęczeniowa

Stale 1.4307 / 304L oraz 1.4404 / 316L wykazują dobrą odporność zmęczeniową i korozyjną w wielu warunkach.
Ich rzeczywista trwałość zależy jednak od środowiska.
W środowisku zawierającym chlorki 316L dzięki zawartości molibdenu wykazuje większą odporność na korozję wżerową niż 304L.
Może to ograniczać powstawanie wżerów będących miejscami inicjacji pęknięć.
Nie oznacza to jednak, że 316L jest odporna na korozję zmęczeniową.
Jeżeli występują jednocześnie cykliczne naprężenia i agresywne środowisko, również ten gatunek może ulec przedwczesnemu pęknięciu.

Duplex 2205 a korozja zmęczeniowa

Stal 1.4462 / duplex 2205 posiada wyższą wytrzymałość mechaniczną niż typowe austenityczne stale nierdzewne 304L i 316L.
W połączeniu z wysoką odpornością na korozję lokalną może to zapewniać bardzo dobre właściwości w zastosowaniach narażonych na jednoczesne działanie środowiska i cyklicznych obciążeń.
Badania zmęczeniowe stali nierdzewnych wykazują, że stale duplex mogą osiągać wyższą wytrzymałość zmęczeniową niż typowe gatunki austenityczne.
Nie oznacza to jednak, że duplex jest całkowicie odporny na korozję zmęczeniową.
Rzeczywista trwałość zależy między innymi od:

• środowiska,
• jakości spoin,
• stanu powierzchni,
• poziomu naprężeń,
• liczby i częstotliwości cykli.

Porównanie wybranych stali nierdzewnych

Korozja zmęczeniowa a SCC

Korozja zmęczeniowa i korozja naprężeniowa SCC prowadzą do powstawania pęknięć, ale różnią się podstawowym mechanizmem.

Pęknięcia korozji zmęczeniowej są często mniej rozgałęzione niż pęknięcia charakterystyczne dla SCC.

Korozja zmęczeniowa a zwykłe zmęczenie materiału

Gdzie występuje korozja zmęczeniowa?

Zjawisko może występować wszędzie tam, gdzie element pracuje pod zmiennym obciążeniem i jednocześnie kontaktuje się ze środowiskiem korozyjnym.
Typowe zastosowania to:

• rurociągi poddawane zmianom ciśnienia,
• pompy,
• wały,
• turbiny,
• wirniki,
• śruby okrętowe,
• wymienniki ciepła,
• konstrukcje offshore,
• elementy statków,
• zbiorniki poddawane cyklom ciśnieniowym,
• elementy maszyn poddawane drganiom,
• instalacje energetyczne.

Zmiany ciśnienia jako źródło zmęczenia

Rurociągi i zbiorniki mogą być poddawane tysiącom cykli zmian ciśnienia.
Każdy wzrost i spadek ciśnienia powoduje zmianę naprężeń w ściance.
Jeżeli jednocześnie powierzchnia ma kontakt z medium korozyjnym, może rozwijać się korozja zmęczeniowa.
Szczególnie niebezpieczne mogą być:

• częste uruchomienia i zatrzymania instalacji,
• pulsacje ciśnienia,
• uderzenia hydrauliczne,
• zmienne warunki pracy pomp,
• gwałtowne zmiany przepływu.

Zmiany temperatury a zmęczenie

Powtarzające się nagrzewanie i chłodzenie elementu powoduje jego rozszerzanie i kurczenie.
Jeżeli swobodne odkształcenie jest ograniczone, powstają naprężenia termiczne.
Wielokrotnie powtarzane cykle cieplne mogą prowadzić do zmęczenia cieplnego.
Jeżeli jednocześnie występuje agresywne środowisko, możliwe jest współdziałanie zmęczenia termicznego i procesów korozyjnych.

Drgania a korozja zmęczeniowa

Drgania mogą powodować bardzo dużą liczbę cykli naprężenia w stosunkowo krótkim czasie.
Szczególnie niebezpieczne są:

• rezonans,
• niewyważone wirniki,
• pulsacje przepływu,
• drgania rurociągów,
• nieprawidłowe podparcie instalacji,
• drgania wywołane pracą pomp i sprężarek.

Zmniejszenie amplitudy drgań może znacząco zwiększyć trwałość elementu.

Jak wygląda przełom zmęczeniowy?

Typowe uszkodzenie zmęczeniowe może obejmować:

• miejsce inicjacji pęknięcia,
• obszar stopniowego rozwoju pęknięcia,
• końcową strefę gwałtownego pęknięcia.

W przypadku korozji zmęczeniowej powierzchnia pęknięcia może być dodatkowo zmieniona przez produkty korozji.
Pęknięcia są często transkrystaliczne i mogą być mniej rozgałęzione niż w klasycznym SCC.

Jak zapobiegać korozji zmęczeniowej?

Ograniczenie ryzyka wymaga działania zarówno na czynniki mechaniczne, jak i korozyjne.
Najważniejsze metody to:

• zmniejszenie amplitudy cyklicznych naprężeń,
• ograniczenie drgań,
• eliminowanie rezonansu,
• unikanie ostrych karbów,
• stosowanie łagodnych przejść geometrycznych,
• poprawa jakości spoin,
• ograniczanie naprężeń własnych,
• zapobieganie korozji wżerowej,
• stosowanie odpowiednich materiałów,
• ograniczenie agresywności środowiska,
• stosowanie odpowiedniej ochrony antykorozyjnej,
• kontrolowanie powierzchni elementów,
• monitorowanie drgań, ciśnienia i temperatury.

AMPP wskazuje jako podstawowe działania między innymi zmniejszenie naprężeń cyklicznych, ograniczenie koncentracji naprężeń, unikanie drgań i gwałtownych zmian obciążenia oraz ograniczenie działania środowiska korozyjnego.

Znaczenie geometrii elementu

Ostre naroża, niewielkie promienie przejścia, otwory, gwinty i inne nieciągłości geometryczne mogą powodować znaczną koncentrację naprężeń.
W projektowaniu elementów pracujących cyklicznie należy więc:

• stosować możliwie łagodne przejścia przekrojów,
• unikać ostrych karbów,
• dobierać odpowiednie promienie zaokrągleń,
• ograniczać lokalne spiętrzenia naprężeń,
• uwzględniać zmęczenie już na etapie projektowania.

Znaczenie ochrony przed korozją

Zmniejszenie agresywności środowiska może znacząco zwiększyć trwałość zmęczeniową.
W zależności od instalacji można stosować:

• odpowiednio bardziej odporny gatunek stali,
• powłoki ochronne,
• inhibitory korozji,
• kontrolę pH,
• ograniczanie zawartości agresywnych zanieczyszczeń,
• kontrolę chlorków,
• ochronę katodową, jeżeli jest właściwa dla danego zastosowania.

Jak wykrywać korozję zmęczeniową?

Pęknięcia zmęczeniowe mogą być bardzo małe i trudne do wykrycia na wczesnym etapie.
Do kontroli elementów stosuje się między innymi:

• badania wizualne VT,
• badania penetracyjne PT,
• badania magnetyczno-proszkowe MT dla odpowiednich materiałów ferromagnetycznych,
• badania ultradźwiękowe UT,
• badania prądami wirowymi ET,
• monitorowanie drgań,
• monitorowanie zmian parametrów pracy instalacji.

Dobór metody zależy od materiału, geometrii elementu, lokalizacji przewidywanych pęknięć oraz wymaganej czułości badania.

Dlaczego korozja zmęczeniowa jest niebezpieczna?

Uszkodzenie może rozwijać się przez długi czas bez dużej ogólnej utraty materiału.
Element może z zewnątrz wyglądać prawidłowo, podczas gdy niewielkie pęknięcie stopniowo zwiększa swoją długość.
Po osiągnięciu krytycznego rozmiaru pozostały przekrój może nie być w stanie przenieść chwilowego obciążenia.
Wtedy następuje końcowe, często gwałtowne pęknięcie.

Korozja zmęczeniowa – najważniejsze wnioski

Korozja zmęczeniowa powstaje wskutek jednoczesnego działania cyklicznych naprężeń i środowiska korozyjnego.
Środowisko może obniżyć trwałość zmęczeniową materiału, przyspieszyć inicjację pęknięcia oraz zwiększyć szybkość jego propagacji.
Szczególnie niebezpieczne są wżery, rysy, spoiny, ostre karby oraz inne miejsca koncentracji naprężeń.
W przeciwieństwie do klasycznej korozji naprężeniowej SCC korozja zmęczeniowa wymaga przede wszystkim powtarzających się zmian naprężenia. Jednocześnie nie musi występować wyłącznie w bardzo agresywnym środowisku – nawet środowisko powodujące stosunkowo niewielką korozję może pogorszyć trwałość zmęczeniową.
W przypadku stali nierdzewnych bardzo ważne są odporność na korozję lokalną, stan warstwy pasywnej, jakość powierzchni oraz właściwości mechaniczne materiału.
Ograniczenie ryzyka korozji zmęczeniowej wymaga jednoczesnego uwzględnienia materiału, środowiska, geometrii konstrukcji oraz charakteru i liczby cykli obciążenia.

Rodzaje korozji stali i metali

Korozja może przebiegać według różnych mechanizmów zależnych od materiału, środowiska i warunków eksploatacji. Zobacz również pozostałe rodzaje korozji:
Korozja równomierna stali i metali
Korozja wżerowa stali nierdzewnych
Korozja szczelinowa stali nierdzewnych
Korozja międzykrystaliczna stali nierdzewnej
Korozja naprężeniowa SCC
Korozja galwaniczna
Korozja erozyjna
Korozja kawitacyjna
Korozja zmęczeniowa
Korozja cierna
Korozja mikrobiologiczna MIC
Korozja wysokotemperaturowa