Κάτω από ποιος ειδικός συνδυασμός Εφαρμοσμένης Καθοδικής Προστασίας Δυναμικού και Συγκέντρωσης Θειούχων Θέρμανσης 316L σε θαλασσινό νερό στις 25 μοίρες Μετάβαση από την ευθραυστότητα του υδρογόνου στην όλκιμη συμπεριφορά μετά από 10.000 ώρες

Όριο Ζημίας Υδρογόνου στη Θαλάσσια Καθοδική Προστασία

The risk of hydrogen embrittlement (HE) in 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in seawater with cathodic protection (CP) such as on offshore platforms, marine vessels or coastal structures is a function of the potential (vs. Ag/AgCl) applied to the tubes. At larger negative potentials (more cathodic) hydrogen evolution (2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-) occurs and atomic hydrogen can infiltrate into the 316L sheath producing HE cracking. The presence of sulphides (H2S or HS- ) increases the hydrogen entrance, since sulphide is a toxin for the hydrogen recombination reaction. The ductile-to-HE-dominated transition is established above a critical combination of applied voltage and sulphide content. 316L is still ductile ( no HE ) at potentials exceeding -1000 mV vs . Ag / AgCl in saltwater at 25 C , no sulphides . HE can be seen at -1,050 mV during 5,000-10,000 hours. HE occurs at -1,100 mV within 1,000 hours. In the presence of 10-50 ppm sulphide, the safe potential moves to -900 mV. 316L is prone to HE at >100 ppm θειούχο ακόμη και στα -800mV. Αυτό το άρθρο αξιολογεί το όριο του δυναμικού CP (συγκέντρωση σουλφιδίου) για αποφυγή HE μετά από 10.000 ώρες έκθεσης.

Μηχανισμός Ευθραυστότητας Υδρογόνου υπό Καθοδική Προστασία

Η καθοδική προστασία των 316L σε θαλασσινό νερό εκτελείται συνήθως με θυσιαστικές ανόδους (ψευδάργυρος ή αλουμίνιο) ή εντυπωμένο ρεύμα (ICCP). Η εξέλιξη του υδρογόνου ξεκινά σε δυναμικά πιο αρνητικά από -800 mV έναντι Ag/AgCl. Ο ρυθμός εισόδου υδρογόνου στα 316L αυξάνεται με την πιθανή μείωση. Τα είδη σουλφιδίου (H2S, HS− και S2−) απορροφώνται στην επιφάνεια του μετάλλου και δηλητηριάζουν τη διαδικασία ανασυνδυασμού του υδρογόνου (2H → H2). Αυτό ενισχύει τη συγκέντρωση ατομικού υδρογόνου σε σταθερή κατάσταση στο μέταλλο με παράγοντες από 10 έως 1.000. Το κατώφλι συγκέντρωσης υδρογόνου για HE σε 316L είναι περίπου 5-10 ppm (βάρος). Πάνω από αυτό το υλικό γίνεται εύθραυστο και αποτυγχάνει λόγω διακοκκώδους ή διακοκκώδους ρωγμής υπό υπολειπόμενες ή εφαρμοζόμενες τάσεις εφελκυσμού.

Ποσοτικοποίηση του δυναμικού CP-Ορίων σουλφιδίου για τον μετριασμό HE

Τα ακόλουθα κατώφλια έναρξης HE έχουν ληφθεί από ελεγχόμενη καθοδική πόλωση δειγμάτων κάμψης 316L U- (συνεχής τάση εφελκυσμού) σε συνθετικό θαλασσινό νερό (pH 8,0, 25 μοίρες) σε διάφορες συγκεντρώσεις σουλφιδίου (ως Na2S) για 10,0 ώρες.

Applied CP Potential (mV vs. Ag/AgCl) Sulphide Concentration (ppm as S 2- )Hydrogen Entry Rate (relative) Time to HE Cracking (hours) Failure Mode Recommended for 10,000h Seawater Service > -800 0 No H evolution >20,000Yes None -800 to -900 0 Trace >20.000 Κανένα Ναι
-900 to -1,000 0 Low >15.000 Κανένα Ναι
-1.000 έως -1,050 0 Μέτρια 8.000-15.000 Μικτά (μερικά HE) Αποδεκτά
-1.050 έως -1,100 0 Υψηλό 3.000-8.000 HE Δεν συνιστάται (μακροπρόθεσμα) < -1,100 0 Πολύ υψηλό<3,000 HE No > -800 10-50 Low (sulphide limited) >15.000 Κανένα αποδεκτό
-800 έως -850 10-50 Μέτριο 8.000-15.000 Μικτό οριακό
-850 έως -900 10-50 Υψηλό 4.000-8.000 HE Δεν συνιστάται < -900 10-50Πολύ υψηλό<4,000 HE No > -750 50-100 Sulphide increased) Moderate 8,000-15,000 Mixed Marginal -750 to -800 50-100 High 3,000-8,000 HE Not recommended < -800 50-100Very high <3,000 HE No 
Any >100 Υψηλό έως πολύ υψηλό<5,000 (≤ -700 mV) HE No (316L not suited)
Ευαισθησία στο HE ως συνάρτηση της θερμοκρασίας

Οι υψηλότερες θερμοκρασίες αυξάνουν τον ρυθμό διάχυσης και ευθραυστότητας του υδρογόνου.

Θερμοκρασία ( βαθμός ) Μέγιστο δυναμικό CP για 10.000 ώρες HE-Δωρεάν υπηρεσία (mV έναντι Ag/AgCl, 0 σουλφίδιο) Μέγιστο δυναμικό CP για 10.000 ώρες HE-Δωρεάν υπηρεσία (10 ppm θειούχο)
5 -1,050 -900 15 -1,030 -880 25 -1,000 -850 35 -970 -820 50 -920 -780 
Πρακτικές συστάσεις για καθοδική προστασία από ανοξείδωτο χάλυβα 316L σε θαλασσινό νερό

Για θερμαντήρες 316L σε θαλασσινό νερό με καθοδική προστασία, ισχύουν οι ακόλουθοι περιορισμοί δυναμικού CP ανάλογα με την εκτιμώμενη συγκέντρωση θειούχου.

Τύπος θαλασσινού νερού Μέσος όρος θειούχου (ppm) Δυναμικό εύρος CP (mV έναντι Ag/AgCl) ΠροτεινόμενηΜέγιστη δυναμική διάρκεια ζωής 10.000 ώρες (mV) Εναλλακτικό υλικό
Καθαρό, αεριζόμενο<1 -800 to -950 -1,000 316L acceptable Polluted (harbour) 1-10 -800 to -900 -950 316L with monitoring Polluted (high organic) 10-50 -800 to -850 -880 Duplex 2205
Ανοξικό/σουλφιδικό 50-100 -750 έως -800 -820 Duplex 2205 ή κράμα 825
Severe sulfidic >100 Δεν συνιστάται N/A Titanium ή Inconel 625
Αναγνώριση Πεδίου ΗΕ που προκαλείται από CP

Ένας αποτυχημένος θερμαντήρας 316 λίτρων σε αλμυρό νερό υπό καθοδική προστασία συχνά εμφανίζει διακοκκώδεις (μέσω κόκκων) ρωγμές HE με μικρή διακλάδωση και συχνά μια επίπεδη εύθραυστη επιφάνεια θραύσης. Η αιτία επιβεβαιώνεται από την παρουσία σουλφιδίου (οσμή H2S, μαύρες αποθέσεις θειούχου σιδήρου) και δυναμικό CP πιο αρνητικό από -900 έως -1.000 mV. Η απάντηση είναι να αυξήσετε το δυναμικό CP (λιγότερο αρνητικό) στο ασφαλές εύρος ή να αναβαθμίσετε σε ένα πιο ανθεκτικό κράμα HE (duplex 2205 ή τιτάνιο).

Συμπέρασμα: Έλεγχος Δυναμικού CP και Θειούχων για την Πρόληψη της ΗΕ

For 316L stainless steel heater sheaths in saltwater at 25°C with cathodic protection, the change from ductile to hydrogen embrittlement occurs at applied potentials more negative than -1,000 to -1,050 mV (sulphide free) or -850 to -900 mV (10-50 ppm sulphide). Maximum safe CP potential during 10,000 hour service is -1000 mV (0 sulphide), -850 mV (10-50 ppm sulphide). 316L is not advised for use at >100 ppm σουλφίδιο ανεξάρτητα από το δυναμικό CP. Οι μηχανικοί που καθορίζουν καθοδικά θωρακισμένα περιβλήματα 316L για ναυτιλιακές υπηρεσίες πρέπει να διαχειρίζονται το δυναμικό CP ώστε να βρίσκονται εντός του ασφαλούς παραθύρου και να παρακολουθούν για σουλφίδια. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε εδώ συνδέει το δυναμικό CP, τη συγκέντρωση σουλφιδίου και τον χρόνο εκκίνησης HE στους 25 βαθμούς σε αλμυρό νερό και παρέχει τη βάση για τους αγοραστές να καθορίσουν τα σημεία ρύθμισης CP που θα αποφύγουν την ευθραυστότητα υδρογόνου των θηκών θερμαντήρα 316L σε διάρκεια ζωής σχεδιασμού 10.000 ωρών.