Πώς επηρεάζει το πάχος τοιχώματος του περιβλήματος από ανοξείδωτο χάλυβα 316 τον κίνδυνο ευθραυστότητας του υδρογόνου κατά τη διάρκεια της υπηρεσίας ηλεκτρολυτικής ή καθοδικής προστασίας σε θαλάσσιες εφαρμογές;

Ένας-μηχανισμός αστοχίας που συχνά παραβλέπεται για μηχανικούς ναυτιλίας και υπεράκτιων μηχανικών που χρησιμοποιούν ηλεκτρικούς θερμαντήρες εμβάπτισης σε περιβάλλοντα όπου λειτουργούν συστήματα καθοδικής προστασίας, όπως γάστρα πλοίων, υπεράκτιες πλατφόρμες και δομές εισαγωγής θαλασσινού νερού είναι η ευθραυστότητα υδρογόνου της θήκης από ανοξείδωτο χάλυβα 316. Οι συσκευές καθοδικής προστασίας (είτε θυσιαστικές άνοδοι είτε αποτυπωμένο ρεύμα) δημιουργούν ατομικό υδρογόνο στην επιφάνεια του μετάλλου ως υπο-προϊόν της διαδικασίας προστασίας. Αυτό το υδρογόνο μπορεί να μεταναστεύσει στο πλέγμα 316, όπου διαχωρίζεται στα όρια των κόκκων και στα εγκλείσματα, μειώνοντας την ολκιμότητα και προκαλώντας θραύση στην εφελκυστική τάση. Το πάχος του τοιχώματος της θήκης καθορίζει μια κλίση συγκέντρωσης υδρογόνου και το χρόνο που το υδρογόνο φτάνει σε μια εσωτερική επιφάνεια. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει ποσοτικούς δεσμούς μεταξύ του πάχους τοιχώματος του περιβλήματος 316 και του κινδύνου ευθραυστότητας του υδρογόνου και παρέχει οδηγίες για την επιλογή θερμαντήρων για χρήση σε καθοδικά προστατευμένα θαλάσσια περιβάλλοντα.

Μηχανισμός διείσδυσης και ευθραυστότητας υδρογόνου σε ανοξείδωτο χάλυβα 316
Όταν ένα σύστημα καθοδικής προστασίας πολώνει μια επιφάνεια από ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε αρνητικό δυναμικό σε σύγκριση με το περιβάλλον, η μείωση του νερού δημιουργεί ατομικό υδρογόνο: H2O + e- → H + OH-. Αυτό το ατομικό υδρογόνο μπορεί είτε να ανασυνδυαστεί σε μοριακό αέριο υδρογόνο είτε να προσροφηθεί στη μεταλλική επιφάνεια και να διαρρεύσει στο πλέγμα. Ο ρυθμός διάχυσης του υδρογόνου στον ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα είναι σχετικά χαμηλός σε σύγκριση με τους φερριτικούς χάλυβες (περίπου. 10-12 έως 10-14 m2/s σε θερμοκρασία δωματίου), αλλά είναι αρκετά υψηλός στην υψηλή θερμοκρασία της λειτουργίας του θερμαντήρα. Μέσα στο πλέγμα, τα άτομα υδρογόνου κατανέμονται σε σημεία υψηλής τριαξονικής τάσης, όπως το άκρο της ρωγμής μιας αναπτυσσόμενης ρωγμής κόπωσης ή η ζώνη εφελκυσμού κάτω από ένα λάκκο. Το υδρογόνο σε αυτά τα σημεία μειώνει τη συνεκτική αντοχή των μεταλλικών συνδέσμων και προκαλεί εύθραυστη θραύση σε πιέσεις πολύ κάτω από τη συνήθη αντοχή διαρροής του υλικού. Η ευθραυστότητα υδρογόνου του ανοξείδωτου χάλυβα 316 είναι πιο έντονη μεταξύ 20 μοιρών και 100 μοιρών, με μέγιστη ευαισθησία στους περίπου 50-80 βαθμούς. Το υδρογόνο άνω των 150 μοιρών είναι αρκετά κινητό ώστε να διαφεύγει από τοποθεσίες παγίδευσης και ως εκ τούτου μειώνει την πιθανότητα ευθραυστότητας. Για τις θήκες θέρμανσης που λειτουργούν σε υψηλές επιφανειακές θερμοκρασίες, ο κίνδυνος μπορεί να είναι αυτοπεριοριζόμενος εάν η θερμοκρασία του μετάλλου ξεπεράσει περίπου τους 120 βαθμούς.

Πώς το πάχος του τοίχου επηρεάζει τη συγκέντρωση του υδρογόνου και τον κίνδυνο ευθραυστότητας
Η ροή του υδρογόνου προς το περίβλημα εξαρτάται από το δυναμικό καθοδικής προστασίας και τις μεταβλητές περιβάλλοντος. Η κινητήρια δύναμη για τη ροή του υδρογόνου είναι η συγκέντρωση υδρογόνου στην εξωτερική επιφάνεια. Για μια δεδομένη συγκέντρωση επιφάνειας υδρογόνου, η συγκέντρωση υδρογόνου σε σταθερή- κατάσταση στην εσωτερική επιφάνεια του περιβλήματος μειώνεται εκθετικά με την αύξηση του πάχους του τοιχώματος. Το προφίλ συγκέντρωσης υδρογόνου ακολουθεί τον δεύτερο νόμο της διάχυσης του Fick. Για ένα λεπτό- περίβλημα με τοιχώματα < 1,0 mm, το υδρογόνο θα διαχέεται σε όλο το πάχος του τοιχώματος σε εβδομάδες έως μήνες στην εσωτερική επιφάνεια όπου βρίσκεται η μόνωση MgO και το σύρμα αντίστασης. Οι εφελκυστικές τάσεις υπάρχουν στην εσωτερική επιφάνεια, όπως συμβαίνει από το συμπιεσμένο MgO και τη θερμική διαστολή, και το υδρογόνο μπορεί να προκαλέσει θραύση ευθραυστότητας. Σε ένα παχύ- περίβλημα με τοίχωμα με πάχος μεγαλύτερο από 1,8 mm, η συγκέντρωση υδρογόνου στην εσωτερική επιφάνεια παραμένει σχεδόν μηδενική για χρόνια λόγω του γεγονότος ότι ο χρόνος διάχυσης κλιμακώνεται με το τετράγωνο του πάχους. Εάν το πάχος του τοιχώματος αυξηθεί από 1,0 mm σε 2,0 mm, τέσσερις φορές μεγαλύτερος είναι ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει το υδρογόνο στην εσωτερική επιφάνεια. Πειραματικά δεδομένα για τη διείσδυση υδρογόνου μέσω 316 μεμβρανών αποκαλύπτουν ότι η συγκέντρωση της εσωτερικής επιφάνειας φτάνει το 50% της τιμής σταθερής κατάστασης στους 60 βαθμούς με καθοδική πόλωση -1,0 V έναντι Ag/AgCl μετά από περίπου 90 ημέρες για ένα τοίχωμα 1,0 mm. Ένας τοίχος 1,6 mm χρειάζεται 230 ημέρες. 2.0 ο τοίχος mm απαιτεί 360 ημέρες. Ένας τοίχος 2,5 mm διαρκεί περισσότερες από 560 ημέρες. Τα παχύτερα τοιχώματα δημιουργούν μεγάλη καθυστέρηση στην άφιξη του υδρογόνου, επιτρέποντας επομένως στον θερμαντήρα να λειτουργεί για μεγάλα χρονικά διαστήματα πριν εμφανιστούν συνθήκες ευθραυστότητας.

Αντοχή στην ευθραυστότητα του υδρογόνου: πάχος τοιχώματος κατωφλίου
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 μοίρες), τα λεπτότερα τοιχώματα μπορεί να είναι αποδεκτά καθώς η υψηλή θερμοκρασία αυξάνει τη διάχυση του υδρογόνου αλλά μειώνει επίσης την ευθραυστότητα. Ο παρακάτω πίνακας παρέχει οδηγίες για το πάχος του τοιχώματος για διάφορους τύπους καθοδικής προστασίας, θερμοκρασίες λειτουργίας και προβλεπόμενη διάρκεια ζωής.

Τύπος καθοδικής προστασίας Θερμοκρασία λειτουργίας θήκης Ελάχιστο συνιστώμενο πάχος τοιχώματος 316 Προτεινόμενο μέγιστο πάχος τοιχώματος 316 μοίρες Αναμενόμενος κίνδυνος ευθραυστότητας υδρογόνου
Θυσιαζόμενες άνοδοι ψευδαργύρου ή αλουμινίου<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
Θυσιαστικές άνοδοι ψευδαργύρου ή αλουμινίου60 – 100 μοίρες 1,4 mm 2,0 mm Μέτρια; ελέγξτε για ρωγμές
Θυσιαζόμενες άνοδοι ψευδαργύρου ή αλουμινίου Πάνω από 100 μοίρες 1,2 mm 1,8 mm Χαμηλό με εκρόφηση θερμοκρασίας
Εντυπωθέν ρεύμα (υψηλό-δυναμικό) Κάτω από 60 μοίρες 2,0 mm 2,5 mm Υψηλός κίνδυνος. συνιστάται αναβάθμιση κράματος
Εντυπωσιακό ρεύμα (υψηλού δυναμικού) 60 – 100 βαθμοί C 1,8 mm 2,5 mm Μέτριο πάχος τοιχώματα
High potential (impressed current) >100 μοίρες 1,6 mm 2,0 mm Μέτρια, συχνή επιθεώρηση
Καθοδική προστασία κανέναΚανένας κίνδυνος ευθραυστότητας υδρογόνου 0,8 mm Οποιαδήποτε θερμοκρασία 2,5 mm
Για συστήματα καθοδικής προστασίας με εντυπωσιακό ρεύμα που λειτουργούν σε δυναμικά πιο αρνητικά από -1,0 V έναντι Ag/AgCl, ο ρυθμός δημιουργίας υδρογόνου είναι σημαντικός. 316 ο ανοξείδωτος χάλυβας δεν προτείνεται κανονικά για τέτοιες περιπτώσεις, ανεξάρτητα από το πάχος του τοιχώματος. Προσδιορίστε τα κράματα με χαμηλότερη διαχυτικότητα υδρογόνου και μεγαλύτερη αντοχή στην ευθραυστότητα, όπως το τιτάνιο ή το κράμα 625. Το τιτάνιο, ειδικότερα, έχει αυτοπεριοριζόμενη άμυνα, καθώς δημιουργεί ένα στρώμα υδριδίου που στην πραγματικότητα εμποδίζει την είσοδο περισσότερου υδρογόνου.

Τροποποιήσεις σχεδιασμού για την ελαχιστοποίηση του κινδύνου ευθραυστότητας υδρογόνου
Εάν μια θήκη 316 πρέπει να χρησιμοποιηθεί σε καθοδικά προστατευμένο θαλάσσιο περιβάλλον και οι θερμικοί περιορισμοί δεν επιτρέπουν την αύξηση του πάχους του τοιχώματος πέραν του 1,6 mm, τρεις αλλαγές σχεδιασμού μπορούν να μειώσουν τον κίνδυνο ευθραυστότητας υδρογόνου. Το πρώτο είναι να επικαλυφθεί η εξωτερική επιφάνεια της θήκης με ένα στρώμα φραγμού. Μια πυκνή,{4}}ελεύθερη επίστρωση εποξειδικού, πολυουρεθάνης ή φθοριοπολυμερούς μπορεί να περιορίσει τη διείσδυση του υδρογόνου κατά συντελεστή 10 έως 100, έτσι ώστε ο χρόνος διάχυσης να αυξάνεται σαν το τοίχωμα να ήταν πολύ παχύτερο. Η επίστρωση πρέπει να στερείται οπών και να είναι ανθεκτική στη θαλάσσια βιοαπόθεση. Η δεύτερη ρύθμιση είναι η λειτουργία του θερμαντήρα σε θερμοκρασία επιφάνειας άνω των 120 βαθμών, όπου είναι πρακτικό. Σε αυτές τις θερμοκρασίες το υδρογόνο εκροφάται γρήγορα από τις θέσεις παγίδευσης και η ευαισθησία στην ευθραυστότητα μειώνεται σημαντικά. Ένας θερμαντήρας που ανεβαίνει σε υψηλή θερμοκρασία κάθε μέρα μπορεί να μην δημιουργήσει ποτέ αρκετό υδρογόνο για να προκαλέσει ρωγμές. Η τρίτη αλλαγή είναι η ηλεκτρική μόνωση του θερμαντήρα από την καθοδικά προστατευμένη κατασκευή. Το περίβλημα προστατεύεται από το δυναμικό καθοδικής προστασίας από μη μεταλλικές φλάντζες στερέωσης ή μονωτικά παρεμβύσματα. Μπορεί να υπάρχει ακόμα κάποια δημιουργία υδρογόνου από γαλβανικά φαινόμενα, αλλά η κινητήρια δύναμη είναι πολύ μικρότερη. Οι μηχανικοί θα πρέπει να συμβουλεύονται ειδικούς σε θέματα διάβρωσης προτού καθορίσουν 316 περιβλήματα για οποιαδήποτε εφαρμογή όπου υπάρχει καθοδική προστασία από εντυπωμένο ρεύμα. Τα συστήματα υπό πίεση που αποτυγχάνουν από την ευθραυστότητα του υδρογόνου σπάνε ξαφνικά με εύθραυστη ρωγμή και μικρή προηγούμενη παραμόρφωση. Αυτές οι αποτυχίες μπορεί να είναι καταστροφικές. Για σημαντικές εφαρμογές, η αυξημένη δαπάνη ενός κράματος ανθεκτικού στο υδρογόνο{21}}είναι καλά ξοδευμένα χρήματα.