Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2003.
Запропоновано нове наукове вирішення практичної проблеми оцінки високотемпературної деградації конструкційних сталей у наводнювальних середовищах, у якому, визначаючи працездатність деградованого металу, береться до уваги сумісний вплив трансформації його структури та локальний вплив абсорбованого ним водню. Для її реалізації розроблено лабораторні експрес-методики деградації теплостійких сталей у водні, що дозволяють моделювати їх деградацію в експлуатаційних умовах. Обґрунтовано правомірність використання ефективного порогу циклічної тріщиностійкості DKth eff як механічного показника, чутливого до структурних змін в деградованому металі та до локального впливу абсорбованого ним водню. Виявлено відповідність структурних змін, механізмів руйнування та характеру зміни DKth eff для металу, деградованого в експлуатаційних і лабораторних умовах. Фрактографічно показано, що тунельне підростання тріщини та вторинні мікроротріщини, які декорують втомні боріздки - ознаки впливу внутрішнього водню на близькопороговий ріст тріщини в деградованому металі і його схильності до водневого розтріскування. Запропоновано механізм закриття тріщини в деградованому металі, зумовлений шорсткістю поверхні зламу поперек магістрального напрямку росту тріщини та повздовжнім зсувом у її вершині.
Виявлено, що абсорбований металом водень неоднозначно впливає на DKth eff, знижуючи його після досягнення певного рівня деградації металу. Цей феномен покладено в основу критерію досягнення металом граничного стану, що дозволило розробити метод визначення залишкової довговічності металу паропроводів, який враховує структурні зміни в ньому та шкідливий локальний вплив абсорбованого ним водню.
Узагальнення отриманих в дисертації результатів дозволило запропонувати нове наукове вирішення практичної проблеми оцінки високотемпературної деградації конструкційних сталей у наводнювальних середовищах, у якому, визначаючи працездатність деградованого металу, береться до уваги сумісний вплив трансформації його структури та локальний вплив абсорбованого ним водню. Найважливіші наукові та практичні результати зводяться до наступного:
Створено лабораторні методики високотемпературної деградації сталей шляхом їх термоциклування у водні або ізотермічного витримування у водні під навантаженням. Вони пришвидшують мікроструктурні зміни в сталях і дозволяють моделювати експлуатаційну деградацію конструкційних сталей.
Встановлена відповідність структурних змін, кінетики та механізмів втомного росту тріщини в експлуатаційно та лабораторно деградованому металі, а також інтенсивніша його деградація всередині стінки труби, свідчать про важливу роль водню в процесах високотемпературної деградації сталей енергетичного та нафтохімічного обладнання, що експлуатуються в контакті з воднемісткими середовищами.
На основі комплексного дослідження механічних властивостей теплостійких сталей та зміни їх структурного стану в процесі деградації як в експлуатаційних, так і в лабораторних умовах, обґрунтовано вибір ефективного розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень як механічного показника стану металу після його високотемпературної деградації.
Виявлено два випадки неоднозначного впливу абсорбованого металом водню на ефективний поріг циклічної тріщиностійкості конструкційних сталей. Позитивний вплив водню на DKth eff змінюється на негативний за температури випробування сталі НК-40 вищої за 250 оС та в результаті досягнення в сталях 12Х1МФ і 15Х2МФА граничного рівня високотемпературної водневої деградації.
Встановлено, що температура, за якої відбувається зміна характеру впливу водню на пороги циклічної тріщиностійкості сталі НК-40 після експлуатації за умов риформінгу з позитивного на негативний, знижується порівняно з неексплуатованим металом. Причиною такого ефекту є поява у деградованому металі голкоподібних виділень дрібнодисперсної s-фази, біля яких вже за порогових навантажень виникають дрібні гострі тріщини, а водень полегшує їх поширення.
Фрактографічними ознаками припорогового втомного росту тріщин в сталях після їх високотемпературної деградації є тунелювання росту тріщини по різних площинах та утворення втомних боріздок, декорованих вторинними мікротріщинами. Чим триваліший контакт металу з наводнювальним середовищем, тим за нижчої швидкості росту втомної тріщини з’являються у зламі втомні боріздки і більше розкриття вторинних тріщин, що декорують їх.
Тунельне підростання втомної тріщини в деградованому металі зумовлює, з одного боку, суттєве підвищення шорсткості поверхні зламу поперек напрямку росту тріщини, а, з іншого, - закриття тріщини. Це дозволило обґрунтувати специфічний, властивий саме деградованому металові механізм закриття тріщини, який спричинений шорсткістю поверхні зламу поперек напрямку росту тріщини та повздовжнім зсувом в її вершині.
Показано, що відома концепція інваріантності ефективного порогу циклічної тріщиностійкості відносно товщини зразків порушується за наявності в них водню після високотемпературної деградації металу. Це пояснюється різною концентрацією водню в зоні передруйнування на зразках різної товщини, яку задає ефективна асиметрія циклу навантаження, зумовлена закриттям тріщини.
Запропоновано критерій досягнення деградованим металом граничного стану за зміною характеру впливу абсорбованого ним водню на ефективний поріг циклічної тріщиностійкості з позитивного на негативний, що зумовлено його схильністю вже за близькопорогового навантаження до водневого розтріскування на рівні коміркової дислокаційної структури.
Розроблено метод оцінки залишкового ресурсу металу паропроводів теплових електростанцій, який на відміну від відомих враховує зміни структурного стану металу та локальний негативний вплив водню, абсорбованого металом під час експлуатації. Метод реалізується шляхом побудови базової кореляційної залежності між тривалістю експлуатації і кількістю термоциклів у водні та визначення граничного рівня ефективного порогу циклічної тріщиностійкості деградованого металу. Сумісне використання цього підходу та кількісного показника, що відбиває структурні зміни в експлуатованому металі, відкриває перспективи для розрахунку залишкового ресурсу без вирізання металу для досліджень.
Публікації автора:
Особенности определения циклической трещиностойкости фторопластов / Б.Н. Лавришин, А.З. Студент, Б.П. Колос, М.П. Демид // Физ.-хим. механика материалов. - 1988. - № 4. - С. 71-75.
Застосування критерію розкриття тріщин при дослідженні циклічної трiщиностiйкостi матеріалів / О.М. Романiв, Г.М. Никифорчин, О.З. Студент, І.Д. Скрипник // Физ.-хим. механика материалов. - 1989. - № 6. - С. 12-18.
Двопараметричний критерій руйнування для росту втомних тріщин / О.М. Романiв, Г.М. Никифорчин, О.З. Студент, І.Д. Скрипник // Физ.-хим. механика материалов. - 1990. - № 1. – С. 46-54.
Аналіз високотемпературного росту втомних тріщин в корозiйностiйкiй сталі з позицій двопараметричного критерію руйнування / О.М. Романiв, Г.М. Никифорчин, О.З. Студент, І.Д. Скрипник // Физ.-хим. механика материалов. - 1990. - № 5. - С. 9-19.
Никифорчин Г.М., Студент О.З., Скрипник І.Д. Двоякий вплив водню на ріст втомних тріщин у жароміцний сталі // Фiз.-хiм. механiка матерiалiв. - 1994. - № 4. - С. 7-15.
Студент О.З. Імітація експлуатаційних пошкоджень корпусної сталі для реакторів гідрокрекінгу нафти // Держ. міжвід. наук.-техн. зб.: Розвідка та розробка нафтових і газових свердловин, Серія ‘‘Нафтогазопромислове обладнання - Івано-Франківськ: Івано-Франк. держ. техн. університет нафти і газу, 1996. - Випуск 33. - С. 196-204.
Студент О.З., Лонюк Б.П. Ріст утомних тріщин у сталі 15Х2МФА, витриманій у високотемпературному водні // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. - 1997. - № 4. - С. 121-126.
Студент О.З. Довготривала статична та повторно-статична міцність сталі 15Х2МФА в середовищі високотемпературного водню // Держ. міжвідомчий наук.-техн. зб. ‘‘Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ’’, Серія ‘‘Нафтогазопромислове обладнання’’. - Івано-Франківськ: Івано-Франк. держ. техн. університет нафти і газу, 1997. - Вип. 34. - С. 118-122.
Вплив експлуатаційної пошкодженості паропровідної сталі 12Х1МФ на характеристики її тріщиностійкості / О.М. Романів, Г.М. Никифорчин, О.З. Студент, І.Р. Дзіоба, Б.П. Лонюк // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. - 1998. - № 1. - С. 101-104.
Student O.Z. An accelerated method of hydrogen degradation of structural steels by thermocycling // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. - 1998. - № 4. - С. 45-52.
Студент О.З. Новий підхід до оцінки залишкового ресурсу металу паропроводів // Вісник Тернопільського держ. техн. університету. – 1998. – 3, № 4. – С. 54-62.
Студент О.З. Вплив абсорбованого металом водню на порогові характеристики втоми корпусної сталі для реакторів гідрокрекінгу нафти // Держ. міжвід. наук.-техн. зб.: Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ, Серія ‘‘Нафтогазопромислове обладнання’’. - Івано-Франківськ: Івано-Франк. держ. техн. університет нафти і газу, 1998. - Вип. 35. - С. 63-71.
Студент О.З. Особливості впливу водню на порогові характеристики циклічної тріщиностійкості конструкційних сталей // Машинознавство. - 1999. - № 2. - С. 17-23.
Студент О.З. Вплив водню на механічні властивості реакторної сталі 15Х2МФА // Машинознавство. – 1999. - № 4. – С. 23-29.
Peculiarities of the fatigue crack growth in 14MoV63 pipe steel after its service / O.Z. Student, V. Sijacki-Zeravcic, I.D. Skrypnyk, G.M. Nykyforchyn, B.P. Loniuk // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. - 1999. - № 3. - С.74-80.
Студент О.З. Оцінка деградації сталі НК-40 труб печей риформінгу внаслідок її високотемпературної експлуатації // Вісник Тернопільського держ. техн. університету. – 1999. – 4, № 1. – С. 30-35.
Effect of high temperature degradation of heat resistant steel on mechanical and fractographic peculiarities of fatigue crack growth / O.Z. Student, V. Dudzinski, G.M. Nykyforchyn, A. Kaminska // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. - 1999. - № 4. - С. 49-58.
Cтудент О.З., Дзіоба І.Р. Вплив лабораторної деградації теплостійких сталей на їх статичну та циклічну тріщиностійкість // Держ. міжвідомчий наук.-техн. зб.: Розвідка та розробка нафтових і газових свердловин, Серія ‘‘Нафтогазопромислове обладнання’’. - Івано-Франківськ: Івано-Франк. держ. техн. університет нафти і газу, 1999. - Вип. 36. - C. 72-82 .
Механізми високотемпературного втомного руйнування сталі НК-40 реакційних труб печей риформінгу / О. Студент, І. Скрипник, І. Лєвіна, П. Сидор // Вісник Тернопільського держ. техн. університету. – 1999. – Том 4. - № 4. – С. 5-11.
Student O.Z., Cichosz P., Szymkowski J. Correlation between fracture surface roughness and fatigue threshold of degraded steel // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. - 1999. - № 6. - С. 37-42.
Dzioba I. R., Student O.Z. Odpornoж na pйkanie stali їaroodpornych po starzeniu w warunkach laboratoryjnych // Zйszyty Naukowe Politekniki Swйntokszyski, Mechanika Pйkania, 1999. - V. 1, P. 97-103.
Студент О., Лонюк Б., Стахів Т. Механізм втомного руйнування теплостійкої сталі 12Х1МФ після високотемпературної водневої деградації // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. - 2000. - Спец. вип. № 1. – С. 176-181.
Специфіка масштабного ефекту порогів циклічної тріщиностійкості сталі 15Х2МФА під впливом водню / О.З. Студент, Г.М. Никифорчин, Б.П. Лонюк, Т.П. Стахів // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. - 2000. - № 4. - С. 55-60.
Никифорчин Г.М., Студент О.З. Створення банку даних корозійно-механічних пошкоджень об’єктів енергетики як складової європейської мережі оцінки довговічності електростанцій // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. – 2001. - Спец. вип. № 2. - С. 56-61.
Структурна деградація теплостійких сталей та її вплив на показники тріщиностійкості / Т. Стахів, І. Дзіоба, Б. Лонюк, О. Студент // Фiз.-хiм. механіка матеріалів. - 2002. - Спец. вип. №3. - С. 67-72.
Застосування підходів механіки руйнування до оцінки водневої деградації сталей нафто- та паропроводів / В.В. Панасюк, Г.М. Никифорчин, О.З. Студент, З.В. Слободян // Зб. "Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій". - 2002. Вип. 5. – С. 537-546.
A.с. 1513772 СССР, МКИ. Способ торможения роста усталостных трещин / Г.Н. Никифорчин, О.Н. Романив, А.З. Студент, А.Т. Цирульник, И.Д. Скрыпнык, Г.Ю. Костенко, Л.П. Аджыпа (СССР). - 1989.
Elastoplastic mechanics of high temperature fatigue crack growth in heat resistant steel / O.N. Romaniv, G.N. Nykyforchyn, O.Z. Student, I.D. Skrypnyk // 9th Europ. Conf. - ECF9 ‘‘Reliability and Structural Integrity of Advanced Materials’’, Varna, 1992. - V. I. - P. 414-419.
Nykyforchyn G.N., Student O.Z., Skrypnyk I.D. Fatigue crack growth resistance of HK-40 steel in gaseous hydrogen // Proc. 8th Int. Conf. - ICF8 ‘‘Fracture Mechanics: Successes and Problems ”, Kiev, 1993. - New Delni: Tata McCraw-Hill Publishing Company Limited, 1996. - V. 2. - P. 621-628.
Fatigue crack growth kinetics and mechanisms in steel at elevated temperatures in gaseous hydrogen / G.N. Nykyforchyn, M. Shaper, O.Z. Student, I.D. Skrypnyk // Proc. 10th Europ. Conf. Fracture - ECF10 ‘‘Structural Integrity: Experiments-Models-Applications’’, Berlin, 1994. - V. I - P. 309-314.
Damage kinetics in materials for power equipment and its effect on fatigue fracture characteristics / H.M. Nykyforchyn, O.Z. Student, B.P. Loniuk, D. Milanoviж // Proc. Int. Symp. ‘‘Materials Ageing and Component Life Extencion’’ / Eds. V. Bicego, A. Nitta, R. Viswanathan, Milan, 1995. - Warley: EMAS, 1995. - V. II. - P.1153-1162.
Nykyforchyn G.M., Student O.Z., Skrypnyk I.D. Development of two-parametric criterion for fatigue crack growth in ductile materials // Proc. 6th Int. Conf. ‘‘Fatigue-96’’, Berlin, 1996. - Pergamon, 1996. - V. I. - P. 481-486.
Nykyforchyn H.M., Student O.Z., Loniuk B.P. Sensitivity of fatigue crack growth in a reactor steel to thermo-mechanical ageing in hydrogen environment // Proc. Symp. ‘‘Fatigue under Thermal and Mechanical Loading: Mechanisms, Mechanics and Modelling’’, Petten, 1996. - The Netherland: Kluwer Academic Publishers, 1996. - P. 215-220.
Hydrogen effect on high temperature degradation of a Cr-Mo-V steel / H.M. Nykyforchyn, O.Z. Student, B.P. Loniuk, M. Schaper // Proc. 11th Biennial Europ. Conf. - ECF11 ’’Mechanisms and Mechanics of Damage and Failure’’ / Ed. J. Petit, Poitiers-Futuroscope, 1996. - London: EMAS, 1996. - V. II. - P. 1527-1532.
Nykyforchyn H.M., Student O.Z., Loniuk B.P. Express method of evaluation of high temperature hydrogen degradation of structural steels / Proc. Polish-Japanese Symp. “Environmental effects on high technology materials”, Zakopane, 1997. - Warsaw: Inst. Phys. Chem. Polish Academy of Sciences, 1997. - P. 161-166.
Студент О.З. Вплив високотемпературного наводнення на циклічну тріщиностійкість сталі 15Х2МФА // Проблеми корозії і протикорозійного захисту матеріалів - Корозія-98, Львів, 1998. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 1998. - С. 99-102.
Nykyforchyn G.M., Student O.Z. Thermocycling in hydrogen environment as simulation method of pipeline steam steel’s damages / Proc. 12th Biennial Conf. Fracture - ECF12 “Fracture from defects” / Eds. M.W. Brown, E.R. de los Rios, K.J. Miller, Sheffield, 1998. - London: EMAS, 1998. - V.III. - P.1139-1144.
Студент О. З., Лонюк Б. П. Використання підходів лінійної механіки руйнування до оцінки зміни стану металу внаслідок водневої деградації. // Зб. "Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій", Вип. 2: В 3-х т. / Під заг. ред. Панасюка В.В. - Львів: Каменяр, 1999. - Т.1. Механіка і механізми процесів руйнування матеріалів. - С. 317-320.
Badania mikrostrukturalne termicznej degradacji stali ruroci№gьw cieplowniczych elektrowni / W. Dudziсski, M. Szata, O.Z. Student, K. Haimann // Prace Nauk. Inst. Materiaіoznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechniki Wrocіawskiej, No. 61. Metody nieniszcz№ce w mechanice pйkania i zmйczeniu materiaіьw. - Wrocіaw: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocіawskiej, 1999. - S. 55-66.
Nykyforchyn H.M., Student O.Z., Loniuk B.P. Thermocycling in hydrogen as a specific type of thermomechanical fatigue of structural steels // Third Int. Congr. Thermal Stresses: Thermal Stresses’99, Cracow, 1999 / Eds. J.J. Skrzypek, R.B. Hetnarski - Cracow: Cracow University of Technology, 1999. - P. 215-218.
Effect of ageing of steam pipeline steel on its fatigue crack growth resistance / G.M. Nykyforchyn, O.Z. Student, B.P. Loniuk, I.R. Dzioba // 8th Int. Conf. Mechanical Behavior of Materials: Progress in Mechanical Behavior of Materials - ICM8, Victoria, 1999 / Ed. F. Ellyin, J.W. Provan, Victoria, 1999. - Victoria: Fleming Printing Ltd., 1999. - V. 1. - P. 398-403.
Dudziсski W., Student O., Nykyforchyn H. Wpіyw termicznej degradacji stali 12HMF na mechanizmy zmйczeniowego wzrostu szczelin // Mat. XYIII Symp. nt. Zmйczenie Materiaіьw i Konstrukcji: Zmйczenie i Mechanika Pйkania, Bydgoszcz, 2000. – Bydgoszcz: Wydawnictwa uczelniane Akademii techniczno-rolniczej w Bydgoszczy, 2000. – S. 125-132.
Method of the residual life-time prediction for steam pipe lines taking into account for hydrogen degradation / H. Nykyforchyn, B. Loniuk, O. Student, J. Zuidema // Europian Symp. on Pressure Equipment – ESOPE 2001, Paris, 2001. – Paris: Association Francaise des Ingenieurs en Appareils a Pression, 2001. – P. 697-708.
Fatigue crack growth in 0,15C-2Cr-Mo-V steel after its high temperature hydrogen degradation / T. Stahiv, O. Student, I. Dzioba, M. Gajewski // Proc. 14th Biennial Conf. Fracture - ECF14 “Fracture Mechanics beyond 2000” / Eds. A. Neimitz, I.V. Rokach, D. Kocanda, K. Golos, Cracow, 2002. - Sheffield: EMAS, 2002. - V.III/III. - P.341-346.
