Kako debljina stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 utječe na rizik od vodonične krtosti tijekom elektrolitičke ili katodne zaštite u pomorskim aplikacijama?

Često-koji se često zanemaruje mehanizam kvara za pomorske inženjere i inženjere na moru koji koriste električne uranjajuće grijače u okruženjima u kojima rade sistemi katodne zaštite kao što su trupovi brodova, platforme na moru i strukture za unos morske vode je krhkost vodonikom omotača od nehrđajućeg čelika 316. Katodni zaštitni uređaji (bilo žrtvovane anode ili utisnuta struja) stvaraju atomski vodonik na površini metala kao-proizvod procesa zaštite. Ovaj vodonik može migrirati u rešetku 316, gdje se odvaja na granicama zrna i inkluzijama, smanjujući duktilnost i indukujući lomljenje u vlačnom naponu. Debljina stijenke omotača određuje gradijent koncentracije vodika i vrijeme kada vodik dostigne unutarnju površinu. Ovaj članak predstavlja kvantitativne veze između debljine stijenke plašta od 316 i rizika od vodonične krtosti i daje smjernice za odabir grijača za upotrebu u katodno zaštićenim pomorskim sredinama.

Mehanizam prodiranja vodika i krtosti u nehrđajućem čeliku 316
Kada sistem katodne zaštite polarizuje površinu od nerđajućeg čelika 316 na negativan potencijal u poređenju sa okolinom, redukcija vode stvara atomski vodonik: H₂O + e⁻ → H + OH⁻. Ovaj atomski vodonik može se rekombinovati u molekularni vodonik ili adsorbirati na površini metala i prodrijeti u rešetku. Brzina difuzije vodonika u austenitnom nerđajućem čeliku je relativno niska u poređenju sa feritnim čelicima (cca. 10-12 do 10-14 m2/s na sobnoj temperaturi), ali je dovoljno visoka pri visokoj temperaturi rada grijača. Unutar rešetke, atomi vodonika se dijele na mjesta visokog troosnog naprezanja kao što je vrh pukotine koja se razvija zbog zamora ili zona zatezanja ispod jame. Vodonik na ovim mjestima smanjuje kohezionu čvrstoću metalnih karika i uzrokuje krhki lom pri pritiscima znatno ispod uobičajene granice tečenja materijala. Vodonično krtljenje nerđajućeg čelika 316 je najizraženije između 20 stepeni i 100 stepeni, sa maksimalnom osetljivošću na oko 50-80 stepeni. Vodonik iznad 150 stepeni je dovoljno mobilan da pobegne sa mesta zarobljavanja i stoga smanjuje verovatnoću krhkosti. Za omote grijača koji rade na povišenim površinskim temperaturama rizik može biti samoograničavajući ako temperatura metala prijeđe nekih 120 stepeni.

Kako debljina zida utiče na koncentraciju vodonika i rizik od krtosti
Protok vodika u omotač ovisi o potencijalu katodne zaštite i varijablama okoline. Pokretačka sila za tok vodika je koncentracija vodika na vanjskoj površini. Za datu površinsku koncentraciju vodonika, stabilna-koncentracija vodonika na unutrašnjoj površini omotača opada eksponencijalno s povećanjem debljine stijenke. Profil koncentracije vodika slijedi Fickov drugi zakon difuzije. Za plašt sa tankim{5}}stinama < 1,0 mm, vodonik će difundirati po cijeloj debljini zida za nekoliko sedmica do mjeseci do unutrašnje površine gdje se nalaze MgO izolacija i otporna žica. Vlačna naprezanja postoje na unutrašnjoj površini, kao što je to zbog zbijenog MgO i toplinskog širenja, a vodik može izazvati krhkost. U omotaču sa -stinama debljine više od 1,8 mm, koncentracija vodonika na unutrašnjoj površini godinama ostaje blizu nule zbog činjenice da se vrijeme difuzije mijenja s kvadratom debljine. Ako se debljina stijenke poveća sa 1,0 mm na 2,0 mm, četiri puta je duže vrijeme potrebno da vodonik stigne do unutrašnje površine. Eksperimentalni podaci o permeaciji vodonika kroz 316 membrana otkrivaju da koncentracija na unutrašnjoj površini dostiže 50% vrijednosti stabilnog stanja na 60 stepeni sa katodnom polarizacijom od -1,0 V naspram Ag/AgCl nakon oko 90 dana za zid od 1,0 mm. Za zid od 1,6 mm potrebno je 230 dana. 2.0 Za zid od 1,6 mm potrebno je 360 ​​dana. Za zid od 2,5 mm potrebno je više od 560 dana. Deblji zidovi stvaraju veliko kašnjenje u dolasku vodonika, što omogućava grijaču da radi duži vremenski period prije nego što se pojave uslovi krhkosti.

Otpornost na vodoničnu krtost: prag debljine 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 stepeni), tanji zidovi mogu biti prihvatljivi jer visoka temperatura povećava difuziju vodonika, ali i smanjuje podložnost krtosti. Sljedeća tabela daje smjernice za debljinu zida za nekoliko tipova katodne zaštite, radne temperature i predviđeni vijek trajanja.

Vrsta katodne zaštite Radna temperatura omotača Minimalna preporučena debljina zida 316 Preporučena maksimalna debljina zida 316 stepeni Predviđeni rizik od vodonične krtosti
Žrtvene anode od cinka ili aluminijuma<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
Žrtvene anode od cinka ili aluminijuma60 – 100 stepeni 1,4 mm 2,0 mm Umereno; provjeriti pucanje
Žrtvene anode od cinka ili aluminijuma Preko 100 stepeni 1,2 mm 1,8 mm Niske sa temperaturnom desorbcijom
Impresionirana struja (visok{0}potencijal) Ispod 60 stepeni 2,0 mm 2,5 mm Velika opasnost; savjetuje se nadogradnja legure
Impresionirana struja (visok potencijal) 60 – 100 stepeni C 1,8 mm 2,5 mm Umjereno debeli zidovi
High potential (impressed current) >100 stepeni 1,6 mm 2,0 mm Umjerena, česta inspekcija
Katodna zaštita nema Bez opasnosti od vodonične krtosti 0,8 mm Bilo koja temperatura 2,5 mm
Za sisteme katodne zaštite sa impresivnom strujom koji rade na potencijalima negativnijim od -1,0 V u odnosu na Ag/AgCl, brzina stvaranja vodonika je značajna. 316 nehrđajući čelik se obično ne preporučuje za takve situacije, bez obzira na debljinu zida. Navedite legure sa nižom difuzijom vodonika i većom otpornošću na krtost, kao što su titanijum ili legura 625. Titanijum, posebno, ima samoograničavajuću odbranu u tome što stvara hidridni sloj koji zapravo sprečava ulazak veće količine vodonika.

Modifikacije dizajna kako bi se smanjio rizik od vodonične krtosti
Ako se plašt 316 mora koristiti u katodno zaštićenom pomorskom okruženju i toplinska ograničenja ne dopuštaju da se debljina stijenke podigne preko 1,6 mm, tri promjene dizajna mogu smanjiti rizik od vodonične krtosti. Prvi je oblaganje vanjske površine omotača slojem barijere. Gusti premaz-bez defekata od epoksida, poliuretana ili fluoropolimera može ograničiti prodiranje vodonika za faktor od 10 do 100, tako da se vrijeme difuzije povećava kao da je zid znatno deblji. Premaz treba da bude bez rupica i otporan na morsko bioobraštanje. Drugo podešavanje je da radi grijač na temperaturi površine preko 120 stepeni, gdje je to izvodljivo. Na ovim temperaturama vodonik se brzo desorbira sa mjesta zarobljavanja i osjetljivost na krhkost je znatno smanjena. Grejač koji svakodnevno prelazi na visoku temperaturu možda nikada neće stvoriti dovoljno vodonika da izazove pucanje. Treća promjena je električna izolacija grijača od katodno zaštićene strukture. Plašt je zaštićen od potencijala katodne zaštite ne-prirubnicama za montažu ili izolacijskim brtvama. Još uvijek može doći do stvaranja vodonika zbog galvanskih efekata, ali je pokretačka snaga mnogo manja. Inženjeri bi trebalo da konsultuju stručnjake za koroziju pre nego što odrede 316 omotača za bilo koju primenu gde je prisutna katodna zaštita sa impresivnom strujom. Sistemi pod pritiskom koji otkazuju zbog vodonične krtosti iznenada se lome s krhkim pucanjem i malom prethodnom deformacijom. Ovi kvarovi mogu biti katastrofalni. Za važne primjene, povećani trošak legure otporne na vodonik{21}} je dobro potrošen novac.