Hvordan påvirker 316 rustfrit stålkappens vægtykkelse risikoen for brintskørhed under elektrolytisk eller katodisk beskyttelsestjeneste i marine applikationer?

En ofte-overset fejlmekanisme for marine- og offshoreingeniører, der bruger elektriske dyppevarmere i miljøer, hvor katodiske beskyttelsessystemer fungerer, såsom skibsskrog, offshore-platforme og havvandsindtagsstrukturer, er brintskørhed af 316 rustfri stålkappen. Katodisk beskyttelsesanordninger (enten offeranoder eller påtrykt strøm) skaber atomart brint på overfladen af ​​metallet som et-biprodukt af beskyttelsesprocessen. Dette brint kan migrere ind i 316-gitteret, hvor det adskiller sig ved korngrænser og indeslutninger, hvilket mindsker duktiliteten og inducerer brud i trækspændingen. Tykkelsen af ​​kappens væg bestemmer en gradient af brintkoncentration og tidspunktet for brint når en indre overflade. Denne artikel præsenterer kvantitative sammenhænge mellem 316 kappevægtykkelse og risikoen for brintskørhed og giver vejledning til valg af varmeapparater til brug i katodisk beskyttede maritime miljøer.

Brintgennemtrængnings- og skørhedsmekanisme i 316 rustfrit stål
Når et katodisk beskyttelsessystem polariserer en 316 rustfri ståloverflade til et negativt potentiale sammenlignet med omgivelserne, skaber vandreduktion atomart brint: H₂O + e⁻ → H + OH⁻. Dette atomære brint kan enten rekombinere til molekylær brintgas eller adsorbere på metaloverfladen og sive ind i gitteret. Diffusionshastigheden af ​​brint i det austenitiske rustfrie stål er relativt lav sammenlignet med de ferritiske stål (ca. . 10-12 til 10-14 m2/s ved stuetemperatur), men den er høj nok ved den høje temperatur i varmeapparatets drift. Inde i gitteret opdeles brintatomer til steder med høj triaksial spænding, såsom revnespidsen af ​​en udviklende træthedsrevne eller trækzonen under en brønd. Brint på disse steder sænker metalforbindelsernes kohæsionsstyrke og forårsager sprødbrud ved tryk et godt stykke under materialets sædvanlige flydespænding. Brintskørhed af 316 rustfrit stål er mest udtalt mellem 20 grader og 100 grader, med maksimal modtagelighed ved omkring 50-80 grader. Over 150 grader er brint mobilt nok til at flygte fra fangststeder og reducerer dermed sandsynligheden for skørhed. For varmekapper, der arbejder ved forhøjede overfladetemperaturer, kan risikoen være selvbegrænsende, hvis metaltemperaturen overstiger omkring 120 grader.

Hvordan vægtykkelsen påvirker hydrogenkoncentrationen og risikoen for skørhed
Fluxen af ​​brint til kappen er afhængig af det katodiske beskyttelsespotentiale og de omgivende variabler. Drivkraften for brintflux er brintkoncentrationen ved den ydre overflade. For en given brintoverfladekoncentration falder den stabile-hydrogenkoncentration ved den indre overflade af kappen eksponentielt med stigende vægtykkelse. Brintkoncentrationsprofilen følger Ficks anden diffusionslov. For en tynd-vægget kappe < 1,0 mm vil brint diffundere over hele vægtykkelsen på uger til måneder til den indre overflade, hvor MgO-isoleringen og modstandstråden er placeret. Trækspændinger eksisterer på den indre overflade, som de gør fra det komprimerede MgO og termisk ekspansion, og brint kan producere skørhed. I en tyk-vægget kappe med en tykkelse på mere end 1,8 mm forbliver brintkoncentrationen ved den indre overflade tæt på nul i årevis på grund af det faktum, at diffusionstiden skalerer med kvadratet af tykkelsen. Hvis vægtykkelsen øges fra 1,0 mm til 2,0 mm, er den fire gange længere tid, der kræves for brint at nå den indvendige overflade. Eksperimentelle data om hydrogenpermeation gennem 316 membraner afslører, at den indre overfladekoncentration når 50% af steady state-værdien ved 60 grader med katodisk polarisering på -1,0 V vs. Ag/AgCl efter ca. 90 dage for en væg på 1,0 mm. En 1,6 mm væg tager 230 dage. 2.0 mm væg kræver 360 dage. En væg på 2,5 mm tager mere end 560 dage. Tykkere vægge skaber en stor forsinkelse i ankomsten af ​​brint, og derfor tillader varmeren at fungere i lange perioder, før skørhedstilstande opstår.

Modstand mod brintskørhed: tærskelvægtykkelse
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 grader), kan tyndere vægge være acceptable, da høj temperatur øger hydrogendiffusion, men også mindsker skørhed. Følgende tabel giver retningslinjer for vægtykkelse for flere typer katodisk beskyttelse, driftstemperaturer og forventede levetider.

Type af katodisk beskyttelse Driftstemperatur af kappe Minimum anbefalet vægtykkelse 316 Anbefalet maks. vægtykkelse 316 grader Forventet risiko for brintskørhed
Zink eller aluminium offeranoder<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
Zink eller aluminium offeranoder60 – 100 grader 1,4 mm 2,0 mm Moderat; tjek for revner
Zink eller aluminium offeranoder Over 100 grader 1,2 mm 1,8 mm Lav med temperaturdesorbering
Imponeret strøm (højt-potentiale) Under 60 grader 2,0 mm 2,5 mm Høj fare; legering opgradering anbefales
Imponeret strøm (højt potentiale) 60 – 100 grader C 1,8 mm 2,5 mm Moderat tykke vægge
High potential (impressed current) >100 grader 1,6 mm 2,0 mm Moderat, hyppig inspektion
Katodisk beskyttelse ingen Ingen risiko for brintskørhed 0,8 mm Enhver temperatur 2,5 mm
For imponerede nuværende katodiske beskyttelsessystemer, der fungerer ved potentialer, der er mere negative end -1,0 V vs. Ag/AgCl, er hastigheden af ​​brintdannelse signifikant. 316 rustfrit stål foreslås normalt ikke til sådanne situationer, uanset vægtykkelse. Angiv legeringer med lavere hydrogendiffusion og større modstandsdygtighed over for skørhed, såsom titanium eller legering 625. Titanium har især selvbegrænsende forsvar, idet det genererer et hydridlag, der faktisk forhindrer mere brint i at trænge ind.

Designændringer for at minimere risikoen for brintskørhed
Hvis en 316-kappe skal bruges i et katodisk beskyttet maritimt miljø, og termiske begrænsninger ikke tillader, at vægtykkelsen kan hæves ud over 1,6 mm, kan tre designændringer mindske risikoen for brintskørhed. Den første er at belægge den ydre overflade af kappen med et barrierelag. En tæt, defekt-fri belægning af epoxy, polyurethan eller fluorpolymer kan begrænse hydrogenindtrængning med en faktor på 10 til 100, så diffusionstiden øges, som om væggen var betydeligt tykkere. Belægningen skal være fri for nålehuller og modstandsdygtig over for marin biobegroning. Den anden justering er at betjene varmeren ved en overfladetemperatur på over 120 grader, hvor det er praktisk muligt. Ved disse temperaturer desorberer hydrogen hurtigt fra indfangningssteder, og modtageligheden for skørhed er stærkt reduceret. En varmelegeme, der cykler til høje temperaturer hver dag, bygger muligvis aldrig nok brint til at forårsage revner. Den tredje ændring er at isolere varmelegemet elektrisk fra den katodisk beskyttede struktur. Kappen er beskyttet mod katodisk beskyttelsespotentiale af ikke-metalliske monteringsflanger eller isolerende pakninger. Der kan stadig være brintdannelse fra galvaniske effekter, men drivkraften er meget mindre. Ingeniører bør konsultere korrosionsspecialister, før de specificerer 316-kapper til enhver applikation, hvor der er en imponeret strøm katodisk beskyttelse. Tryksatte systemer, der svigter fra brintskørhed, bryder pludseligt med sprøde revner og lidt forudgående deformation. Disse fiaskoer kan være katastrofale. Til vigtige applikationer er den øgede udgift til en hydrogenbestandig-legering penge, der er givet godt ud.