Kaip 316 nerūdijančio plieno apvalkalo sienelės storis veikia vandenilio trapumo riziką atliekant elektrolitinės arba katodinės apsaugos jūroje paslaugas?

Dažnai -nepamirštamas gedimo mechanizmas jūrų ir atviroje jūroje dirbančių inžinierių, naudojančių elektrinius panardinamuosius šildytuvus aplinkoje, kurioje veikia katodinės apsaugos sistemos, pvz., laivų korpusuose, atviroje jūroje esančiose platformose ir jūros vandens paėmimo konstrukcijose, yra 316 nerūdijančio plieno apvalkalo vandenilio trapumas. Katodinės apsaugos įtaisai (aukojami anodai arba įjungiama srovė) sukuria atominį vandenilį metalo paviršiuje kaip šalutinį apsaugos proceso produktą. Šis vandenilis gali migruoti į 316 gardelę, kur jis atsiskiria ties grūdelių ribomis ir inkliuzais, sumažindamas elastingumą ir sukeldamas tempimo įtempį. Apvalkalo sienelės storis lemia vandenilio koncentracijos gradientą ir laiką, kada vandenilis pasiekia vidinį paviršių. Šiame straipsnyje pateikiami kiekybiniai ryšiai tarp 316 apvalkalo sienelių storio ir vandenilio trapumo rizikos bei pateikiamos gairės, kaip pasirinkti šildytuvus, naudojamus katodiškai apsaugotoje jūrinėje aplinkoje.

316 nerūdijančio plieno vandenilio įsiskverbimo ir trapumo mechanizmas
Kai katodinė apsaugos sistema poliarizuoja 316 nerūdijančio plieno paviršių iki neigiamo potencialo, palyginti su aplinka, vandens redukcija sukuria atominį vandenilį: H2O + e⁻ → H + OH⁻. Šis atominis vandenilis gali rekombinuotis į molekulines vandenilio dujas arba adsorbuotis ant metalo paviršiaus ir prasiskverbti į grotelę. Vandenilio difuzijos greitis austenitiniame nerūdijančiame pliene yra santykinai mažas, palyginti su feritiniais plienais (apytiksliai . 10-12 iki 10-14 m2/s kambario temperatūroje), tačiau jis yra pakankamai didelis esant aukštai šildytuvo veikimo temperatūrai. Gardelėje vandenilio atomai pasiskirsto į vietas, kuriose yra didelis triašis įtempis, pavyzdžiui, besivystančio nuovargio plyšio viršūnėje arba tempimo zonoje po duobe. Vandenilis šiose vietose sumažina metalinių jungčių sanglaudos stiprumą ir sukelia trapumą, kai slėgis gerokai mažesnis už įprastą medžiagos takumo ribą. 316 nerūdijančio plieno trapumas vandeniliniu būdu yra ryškiausias tarp 20 laipsnių ir 100 laipsnių, o didžiausias jautrumas yra apie 50-80 laipsnių. Aukštesnėje nei 150 laipsnių temperatūroje vandenilis yra pakankamai judrus, kad galėtų ištrūkti iš gaudymo vietų, taigi sumažina trapumo tikimybę. Kai šildytuvo apvalkalai dirba aukštesnėje paviršiaus temperatūroje, rizika gali būti savaime ribojama, jei metalo temperatūra viršija apie 120 laipsnių.

Kaip sienos storis veikia vandenilio koncentraciją ir trapumo riziką
Vandenilio srautas į apvalkalą priklauso nuo katodinės apsaugos potencialo ir aplinkos kintamųjų. Varomoji vandenilio srauto jėga yra vandenilio koncentracija išoriniame paviršiuje. Esant tam tikrai vandenilio paviršiaus koncentracijai, pastovi -vandenilio koncentracija vidiniame apvalkalo paviršiuje mažėja eksponentiškai didėjant sienelės storiui. Vandenilio koncentracijos profilis atitinka antrąjį Fick difuzijos dėsnį. Jei plonasienis apvalkalas < 1,0 mm, vandenilis per kelias savaites ar mėnesius pasklis per visą sienelės storį į vidinį paviršių, kuriame yra MgO izoliacija ir varžos laidas. Tempimo įtempiai egzistuoja vidiniame paviršiuje, kaip ir dėl sutankinto MgO ir šiluminio plėtimosi, o vandenilis gali sukelti trapumo įtrūkimus. Storose -sienose apvalkale, kurios storis didesnis nei 1,8 mm, vandenilio koncentracija vidiniame paviršiuje daugelį metų išlieka artima nuliui dėl to, kad difuzijos laikas keičiasi storio kvadratu. Padidinus sienelės storį nuo 1,0 mm iki 2,0 mm, laikas, reikalingas vandeniliui pasiekti vidinį paviršių, pailgėja keturis kartus. Eksperimentiniai vandenilio prasiskverbimo per 316 membranų duomenys rodo, kad vidinio paviršiaus koncentracija 60 laipsnių kampu pasiekia 50 % pastovios būsenos vertės, kai katodinė poliarizacija yra -1,0 V, palyginti su Ag/AgCl, maždaug po 90 dienų 1,0 mm sienelėje. 1,6 mm sienai reikia 230 dienų . 2.0 mm sienai reikia 360 dienų. 2,5 mm siena užtrunka daugiau nei 560 dienų. Storesnės sienos labai vėluoja patekti į vandenilį, todėl šildytuvas gali veikti ilgą laiką, kol atsiranda trapumo sąlygos.

Atsparumas vandeniliniam trapumui: sienelės storio slenkstis
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 laipsnių), plonesnės sienos gali būti priimtinos, nes aukšta temperatūra padidina vandenilio difuziją, bet taip pat sumažina jautrumą trapumui. Toliau pateiktoje lentelėje pateikiamos keleto katodinės apsaugos tipų sienelės storio gairės, darbo temperatūra ir numatomas tarnavimo laikas.

Katodinės apsaugos tipas Apvalkalo darbo temperatūra Mažiausias rekomenduojamas sienelės storis 316 Rekomenduojamas maksimalus sienelės storis 316 laipsniai Numatoma vandenilio trapumo rizika
Cinko arba aliuminio aukojamieji anodai<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
Cinko arba aliuminio aukojamieji anodai60 – 100 laipsnių 1,4 mm 2,0 mm Vidutinis; patikrinkite, ar nėra įtrūkimų
Cinko arba aliuminio aukojamieji anodaiDaugiau kaip 100 laipsnių 1,2 mm 1,8 mm Žemas, desorbuojantis temperatūrą
Įspausta srovė (didelis-potencialas)Mažiau nei 60 laipsnių 2,0 mm 2,5 mm Didelis pavojus; patartina atnaujinti lydinį
Impulsinė srovė (didelis potencialas) 60–100 laipsnių C 1,8 mm 2,5 mm Vidutinio storio sienos
High potential (impressed current) >100 laipsnių 1,6 mm 2,0 mm Vidutinis, dažnas tikrinimas
Katodinė apsauga nėra Jokio vandenilio trapumo pavojaus 0,8 mm Bet kokia temperatūra 2,5 mm
Įspūdingos srovės katodinės apsaugos sistemose, veikiančiose esant neigiamiems potencialams nei -1,0 V, palyginti su Ag/AgCl, vandenilio susidarymo greitis yra reikšmingas. 316, nerūdijantis plienas tokioms situacijoms paprastai nerekomenduojamas, neatsižvelgiant į sienelės storį. Nurodykite lydinius, kurių vandenilio difuziškumas yra mažesnis ir atsparumas trapumui, pvz., titanas arba lydinys 625. Titanas ypač pasižymi savaime ribojančia apsauga, nes sukuria hidrido sluoksnį, kuris iš tikrųjų neleidžia patekti daugiau vandenilio.

Projektavimo pakeitimai, siekiant sumažinti vandenilio trapumo riziką
Jei 316 apvalkalas turi būti naudojamas katodiškai apsaugotoje jūrinėje aplinkoje ir dėl šiluminių apribojimų sienelės storis negali būti padidintas daugiau nei 1,6 mm, trys konstrukcijos pakeitimai gali sumažinti vandenilio trapumo riziką. Pirmasis yra padengti išorinį apvalkalo paviršių barjeriniu sluoksniu. Tanki,-be defektų epoksidinė, poliuretano arba fluorpolimero danga gali apriboti vandenilio prasiskverbimą nuo 10 iki 100 kartų, todėl difuzijos laikas pailgėja, tarsi siena būtų gerokai storesnė. Danga turi būti be skylučių ir atspari jūriniam biologiniam užteršimui. Antrasis reguliavimas yra šildytuvo veikimas esant aukštesnei nei 120 laipsnių paviršiaus temperatūrai, jei įmanoma. Esant tokioms temperatūroms, vandenilis greitai desorbuojasi iš gaudymo vietų ir labai sumažėja jautrumas trapumui. Šildytuvas, kuris kasdien įjungia aukštą temperatūrą, niekada negali sukurti pakankamai vandenilio, kad sukeltų įtrūkimus. Trečias pakeitimas – šildytuvo elektrinis izoliavimas nuo katodiškai apsaugotos konstrukcijos. Apvalkalas nuo katodinės apsaugos potencialo apsaugotas nemetaliniais tvirtinimo flanšais arba izoliaciniais tarpikliais. Dėl galvaninio poveikio vis dar gali susidaryti vandenilis, tačiau varomoji jėga yra daug mažesnė. Inžinieriai turėtų pasikonsultuoti su korozijos specialistais, prieš nurodydami 316 apvalkalus bet kokiam naudojimui, kuriame yra įspūdinga srovės katodinė apsauga. Slėginės sistemos, sugedusios dėl vandenilio trapumo, staiga lūžta, trapūs įtrūkimai ir nedidelė deformacija. Šios nesėkmės gali būti katastrofiškos. Svarbiausioms reikmėms padidintos vandeniliui{21}atsparaus lydinio išlaidos yra gerai išleisti pinigai.