Kako debljina stijenke plašta od nehrđajućeg čelika 316 utječe na rizik od vodikove krtosti tijekom usluge elektrolitske ili katodne zaštite u pomorskim aplikacijama?

Često{0}}zanemaren mehanizam kvara za pomorske i offshore inženjere koji koriste električne uronjene grijače u okruženjima u kojima rade sustavi katodne zaštite, kao što su trupovi brodova, offshore platforme i strukture za unos morske vode, vodikova je krtost plašta od nehrđajućeg čelika 316. Uređaji za katodnu zaštitu (bilo žrtvene anode ili dovedena struja) stvaraju atomski vodik na površini metala kao nus{3}}proizvod zaštitnog procesa. Ovaj vodik može migrirati u rešetku 316, gdje se odvaja na granicama zrna i inkluzijama, smanjujući duktilnost i izazivajući prekid pri vlačnom naprezanju. Debljina stijenke omotača određuje gradijent koncentracije vodika i vrijeme u kojem vodik doseže unutarnju površinu. Ovaj članak predstavlja kvantitativne veze između debljine stjenke plašta 316 i rizika od vodikove krtosti i daje smjernice za odabir grijača za uporabu u katodno zaštićenim pomorskim okruženjima.

Mehanizam prodora vodika i krtosti u nehrđajućem čeliku 316
Kada sustav katodne zaštite polarizira površinu od nehrđajućeg čelika 316 na negativan potencijal u usporedbi s okolinom, redukcija vode stvara atomski vodik: H₂O + e⁻ → H + OH⁻. Ovaj atomski vodik može se ili rekombinirati u molekularni plinoviti vodik ili se adsorbirati na površini metala i procuriti u rešetku. Brzina difuzije vodika u austenitnom nehrđajućem čeliku je relativno niska u usporedbi s feritnim čelicima (cca. 10-12 do 10-14 m2/s na sobnoj temperaturi), ali je dovoljno visoka na visokoj temperaturi rada grijača. Unutar rešetke, atomi vodika dijele se na mjesta visokog troosnog naprezanja kao što je vrh pukotine u razvoju zamorne pukotine ili vlačna zona ispod jame. Vodik na tim mjestima smanjuje kohezijsku čvrstoću metalnih karika i uzrokuje krti lom pri pritiscima znatno ispod uobičajene granice tečenja materijala. Vodikova krtost nehrđajućeg čelika 316 najizraženija je između 20 stupnjeva i 100 stupnjeva, s maksimalnom osjetljivošću na oko 50-80 stupnjeva. Vodik iznad 150 stupnjeva dovoljno je pokretan da pobjegne s mjesta zarobljavanja i stoga smanjuje vjerojatnost krtosti. Za plašteve grijača koji rade na povišenim površinskim temperaturama rizik može biti samoograničavajući ako temperatura metala prijeđe nekih 120 stupnjeva.

Kako debljina stijenke utječe na koncentraciju vodika i rizik od krtosti
Protok vodika prema ovojnici ovisi o potencijalu katodne zaštite i varijablama okoline. Pokretačka sila za tok vodika je koncentracija vodika na vanjskoj površini. Za danu površinsku koncentraciju vodika, koncentracija vodika u stabilnom-stanju na unutarnjoj površini omotača eksponencijalno opada s povećanjem debljine stijenke. Profil koncentracije vodika slijedi Fickov drugi zakon difuzije. Za omotač s tankom-stjenkom < 1,0 mm, vodik će difundirati preko cijele debljine stijenke u tjednima do mjesecima do unutarnje površine gdje se nalazi MgO izolacija i otporna žica. Na unutarnjoj površini postoje vlačna naprezanja, kao što su nastala zbog zbijenog MgO i toplinskog širenja, a vodik može izazvati krtost. U omotaču debelih stijenki debljine veće od 1,8 mm, koncentracija vodika na unutarnjoj površini ostaje godinama blizu nule zbog činjenice da se vrijeme difuzije mijenja s kvadratom debljine. Ako se debljina stijenke poveća s 1,0 mm na 2,0 mm, potrebno je četiri puta duže vrijeme da vodik dođe do unutarnje površine. Eksperimentalni podaci o propuštanju vodika kroz 316 membrana otkrivaju da koncentracija unutarnje površine doseže 50% vrijednosti stabilnog stanja na 60 stupnjeva s katodnom polarizacijom od -1,0 V u odnosu na Ag/AgCl nakon otprilike 90 dana za stijenku od 1,0 mm. Za zid debljine 1,6 mm potrebno je 230 dana. 2.0 za zid od mm potrebno je 360 ​​dana. Za zid od 2,5 mm potrebno je više od 560 dana. Deblje stijenke stvaraju veliko kašnjenje u dolasku vodika, stoga omogućujući grijaču da radi dulje vrijeme prije nego što se pojave uvjeti krtosti.

Otpornost na vodikovu krtost: granična debljina stijenke
Based on diffusion calculations and field experience with cathodically protected marine structures a minimum sheath wall thickness of 1.6 mm of 316 is recommended for heaters operating in situations where cathodic protection is active. Under normal seawater temperatures, hydrogen can penetrate to the inner surface within one year at depths less than 1.6 mm, posing a danger of embrittlement cracking in the inner wall when swaging-induced tensile residual stresses are present. For 2.0 mm and larger, the diffusion delay exceeds two years, a huge safety buffer. But there is the thermal penalty of thick walls--higher surface temperature and restricted heat transfer. Where cathodic protection is available but the heater is intermittent or the surface temperature is high (>120 stupnjeva), tanje stijenke mogu biti prihvatljive budući da visoka temperatura povećava difuziju vodika, ali također smanjuje osjetljivost na krtost. Sljedeća tablica daje smjernice za debljinu stijenke za nekoliko tipova katodne zaštite, radne temperature i predviđeni vijek trajanja.

Vrsta katodne zaštite Radna temperatura plašta Minimalna preporučena debljina stijenke 316 Preporučena maksimalna debljina stijenke 316 stupnjeva Očekivani rizik od vodikove krtosti
Žrtvene anode od cinka ili aluminija<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
Žrtvene anode od cinka ili aluminija 60 – 100 stupnjeva 1,4 mm 2,0 mm Umjereno; provjerite ima li pucanja
Žrtvene anode od cinka ili aluminija Preko 100 stupnjeva 1,2 mm 1,8 mm Nisko s temperaturnom desorpcijom
Utisnuta struja (visoki-potencijal) Ispod 60 stupnjeva 2,0 mm 2,5 mm Velika opasnost; savjetuje se nadogradnja legure
Utisnuta struja (visoki potencijal) 60 – 100 stupnjeva C 1,8 mm 2,5 mm Umjereno debele stijenke
High potential (impressed current) >100 stupnjeva 1,6 mm 2,0 mm Umjerena, česta inspekcija
Katodna zaštita nema Nema rizika od vodikove krtosti 0,8 mm Bilo koja temperatura 2,5 mm
Za sustave katodne zaštite pod utjecajem struje koji rade na potencijalima negativnijim od -1,0 V u odnosu na Ag/AgCl, stopa stvaranja vodika je značajna. 316 nehrđajući čelik se obično ne preporučuje za takve situacije, bez obzira na debljinu stijenke. Odredite legure s nižom difuzijom vodika i većom otpornošću na krtost kao što je titan ili legura 625. Titan posebno ima samoograničavajuću obranu tako što stvara hidridni sloj koji zapravo sprječava ulazak više vodika.

Izmjene dizajna kako bi se smanjio rizik od vodikove krtosti
Ako se omotač od 316 mora koristiti u katodno zaštićenom pomorskom okruženju, a toplinska ograničenja ne dopuštaju povećanje debljine stijenke iznad 1,6 mm, tri promjene dizajna mogu smanjiti rizik od vodikove krtosti. Prvi je premazivanje vanjske površine plašta zaštitnim slojem. Gusti premaz od epoksida, poliuretana ili fluorpolimera bez nedostataka može ograničiti prodiranje vodika za faktor od 10 do 100, tako da se vrijeme difuzije povećava kao da je stijenka znatno deblja. Premaz mora biti bez rupica i otporan na morsko biološko obraštanje. Druga prilagodba je rad grijača na temperaturi površine iznad 120 stupnjeva, gdje je to moguće. Na tim temperaturama vodik se brzo desorbira s mjesta zarobljavanja i osjetljivost na krtost je znatno smanjena. Grijač koji se svaki dan mijenja na visoku temperaturu možda nikad neće proizvesti dovoljno vodika da izazove pucanje. Treća promjena je električna izolacija grijača od katodno zaštićene strukture. Plašt je zaštićen od katodnog zaštitnog potencijala ne-metalnim montažnim prirubnicama ili izolacijskim brtvama. Još uvijek može biti stvaranja vodika iz galvanskih učinaka, ali je pokretačka sila mnogo manja. Inženjeri bi se trebali konzultirati sa stručnjacima za koroziju prije specificiranja 316 plašta za bilo koju primjenu gdje je prisutna katodna zaštita od impresionirane struje. Sustavi pod tlakom koji pokvare zbog vodikove krtosti iznenada se lome s krtim pucanjem i malom prethodnom deformacijom. Ti kvarovi mogu biti katastrofalni. Za važne primjene, povećani troškovi legure-otporne na vodik dobro su potrošen novac.