Kako postotak prethodnog hladnog rada cijevi plašta grijača od nehrđajućeg čelika 316 kontrolira učinkovitost hvatanja vodika i rizik odgođenog pucanja u katodno zaštićenim sustavima

Gustoća mjesta zamke izazvana deformacijom kao parametar vodikove krtosti

For cathodically protected systems like marine immersed heaters, offshore platform equipment or buried pipeline heaters with impressed current cathodic protection, the prior cold work percentage of the sheath tubing directly controls the risk of hydrogen embrittlement and delayed cracking for 316 stainless steel sheathed electric heating tubes. Dislocations, voids and strain-induced martensite are the hydrogen trap sites produced by cold work. At low cold work percentages ( 0-10% ) trap site density is low , hydrogen diffuses fast through the lattice and the risk of cracking is limited . Trap site density is moderate at intermediate cold work (15-25%) and hydrogen is dispersed within the microstructure with increased embrittlement susceptibility. At high cold work (>30%), velika mjesta zamke mogu smanjiti krtost (široka raspodjela vodika) ili pospješiti krtost (koncentrirana polja naprezanja). Međutim, za 316 u službi katodne zaštite, minimalni rizik od krtosti je na ekstremima potpunog žarenja (<5% cold work) or heavy cold work (>30% s naknadnim otpuštanjem stresa). Ovaj članak kvantificira vezu između količine hladnog rada, učinkovitosti hvatanja vodika i rizika od odgođenog pucanja.

Mehanizmi hvatanja vodika u hladno obrađenim austenitnim nehrđajućim čelicima

Vodik se može infiltrirati u nehrđajući čelik 316 s površine katode nastale redukcijom vode (2H2O + 2e− → H2 + 2OH−). Difuznost vodika u austenitnoj rešetki (FCC) je visoka (~10-10cm2/sek na 25 stupnjeva), a topljivost je niska. Hladni rad stvara mjesta zamke koja jače vežu vodik: dislokacije (energija vezanja ~ 30-40 kJ/mol), praznine (~ 50-60 kJ/mol) i martenzit izazvan deformacijama (BCC, sa znatno višom topljivošću vodika, ~ 10 4 višom od austenita). Pri niskim gustoćama zamki, vodik brzo teče kroz rešetku i ostavlja metal bez oštećenja. Pri srednjim gustoćama zamki vodik se nakuplja na mjestima zamki; posebno na trostrukim točkama i sučeljima inkluzija-matrica, rekombinira se kako bi stvorio molekularni vodik uzrokujući unutarnje pritiske i inicirajući pukotine. Pri vrlo velikim gustoćama zamki, mjesta zarobljavanja su toliko brojna da se vodik vrlo fino raspršuje i lokalni tlak na bilo kojem pojedinačnom mjestu zamke nije dovoljan da izazove pucanje – ako materijal nije pod značajnim vlačnim naprezanjem.

Kvantificirana korelacija između hladnog rada i rizika od odgođenog pucanja

Vrijeme do pucanja (odgođeni kvar) kao funkcija ranijeg hladnog rada određeno je ispitivanjem konstantnim opterećenjem 316 cijevi (U-uzorci savijanja) u simuliranoj morskoj vodi na 25 C s katodnom zaštitom (primijenjeni napon -1,050 mV u odnosu na Ag/AgCl).

Prethodni hladni rad (% smanjenje) Tvrdoća (HV) Deformacija-Inducirani martenzit (%) Gustoća hvatanja vodika (relativno) Vrijeme do odgođenog pucanja u CP (sati, 75% granica tečenja) Ocjena rizika odgođenog pucanja 0 (žareno) 150-180<1 1× (baseline) >10 000 (bez pucanja) Vrlo nizak 5-10 180-210 1-3 2-3x 5 000-10 000 Nizak 10-15 210-240 3-6 5-8 × 2 000-5 000 Umjeren 15-20 240-270 6-10 10-15 × 500-2 000 Visok 20-25 270-300 10-15 15-20 × 100-500 Ozbiljan 25-30 300-330 15-20 20-25 × 50-200 Izuzetno ozbiljan
30-35 330-360 18-22 25-30× 100-500 (plateau) High (but better than 20-25%) >40 >360 >25 >30× 500-2,000 (zasićeno) Srednje
Učinak žarenja za ublažavanje naprezanja na hvatanje vodika

Žarenje za ublažavanje naprezanja na 400-450 stupnjeva tijekom 1-2 h smanjuje gustoću dislokacija bez rekristalizacije strukture zrna ili uklanjanja martenzita izazvanog naprezanjem. Ovaj tretman smanjuje učinkovitost hvatanja vodika za oko 50%, što uvelike povećava otpornost na odgođeno pucanje.

Hladni rad (%) Post-oblikovanje Toplinska obrada Relativna gustoća zamke (kako-nacrtano=1.0) Vrijeme do odgođenog pucanja (sati, 75% iskorištenja) Preporučeno za CP uslugu 15 Ništa 12× 500-1000 Ne 15 400 stupanj, 1 sat 6× 2000-4000 da
20 Nema 18x 100-500 Br
20 450 stupanj, 2 sata 8× 1,500-3,000 Marginalno 25 Ništa 22× 50-200 Ne 25 500 stupanj, 2 sata 10× 1,000-2,000 Ne (još uvijek visok rizik)
25 Full solution anneal (1,040°C) 1× >10 000 Da (vraća se u žareno)
Katodni zaštićeni grijači, praktični savjeti

Za katodno zaštićene sustave, sljedeći kriteriji za grijače s plaštem 316 smanjuju osjetljivost na vodikovu krtost i odgođeno pucanje:

Primijenjeni potencijal (mV u odnosu na Ag/AgCl) Vrsta katodne zaštite Maks. Dopušteni hladni rad (%) Preporučena obrada nakon oblikovanjaOstali materijal
Žrtvene anode (cink/aluminij) -800 do -1000 (mala opasnost)25 Nema ili 400 stupnjeva rasterećenja 316 prihvatljivo
Impresionirana sadašnjost (niska prekomjerna zaštita) --1,050 do 1,000 15 450316L poželjno, stres se smanjuje na stupnju
Utisnuta struja (standard) -1,050 do -1,100 10 Potpuna otopina žarenja Duplex 2205
Utisnuta struja (visoka prekomjerna zaštita) --1,200 do 1,100<5 Full solution anneal required Titanium or Alloy 625
Svaki, povremeni rad Identifikacija polja odgođenog pucanja izazvanog vodikom 20 450 stupanj smanjenja naprezanja 316 prihvatljivo uz praćenje

In a cathodic protected system with no significant corrosion (no pitting, no scale) if a 316 heater fails then hydrogen embrittlement should be suspected. The cracks are generally transgranular, non-branching, surface initiated. The fracture surface can display quasi-cleavage features with little dimples. Hydrogen embrittlement is the likely cause if the heater was made from cold drawn tubing (hardness >250 HV) i koristi se u sustavu s utisnutom strujom CP pri potencijalima ispod -1050 mV. Zamjenski grijači trebaju biti specificirani s punim žarenjem u otopini (ili barem smanjenjem naprezanja) i maksimalnom tvrdoćom od 200 HV.

ZAKLJUČAK: OGRANIČENJA HLADNOG RADA ZA USLUGU KATODNE ZAŠTITE

Za grijače od nehrđajućeg čelika 316 u katodno zaštićenim sustavima, postotak prethodnog hladnog rada određuje učinkovitost hvatanja vodika i rizik od odgođenog pucanja. Najveći rizik je kod 20-30% hladnog rada (tvrdoća 270-330 HV) gdje je gustoća mjesta zamke dovoljno visoka da zadrži vodik, ali nije dovoljno visoka da omogući njegovo fino raspodijeljeno oslobađanje. Najmanja je opasnost u potpuno žarenom materijalu (<5% cold work) and in substantially cold worked material with post stress release (>30% hladni rad + 450 stupanj obrade). Za 316 omotača u pomorskim ili podzemnim CP sustavima, inženjeri moraju održavati hladni rad na manje od 15% i specificirati post-žarenje za ublažavanje naprezanja od 400-450 stupnjeva. Za sustave pod utjecajem struje s potencijalima manjim od -1050 mV, savjetuje se žarenje u punoj otopini ili nadogradnja na duplex 2205. Ovdje dani okvir uspostavlja odnos između postotka hladnog rada i gustoće zamke vodika i odgođenog vremena pucanja, omogućujući kupcima da specificiraju 316 omotača koji su otporni na vodikovu krtost u katodno zaštićenim situacijama.