Kuinka 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettu vaipan seinämän paksuus vaikuttaa vetyhaurastumisen riskiin elektrolyyttisen tai katodisuojauksen aikana merisovelluksissa?

Usein -huomautettu vikamekanismi merenkulku- ja offshore-insinööreille, jotka käyttävät sähköisiä uppolämmittimiä ympäristöissä, joissa katodisuojajärjestelmät toimivat, kuten laivojen rungoissa, offshore-lautoilla ja merivedenottorakenteissa, on ruostumattoman teräksen 316-vaipan vetyhauristuminen. Katodiset suojalaitteet (joko uhrautuvat anodit tai painevirta) luovat atomivetyä metallin pinnalle suojausprosessin sivutuotteena. Tämä vety voi siirtyä 316-hilaan, jossa se segregoituu raerajoilla ja sulkeumien kohdalla vähentäen taipuisuutta ja aiheuttaen murtuman vetojännityksissä. Vaipan seinämän paksuus määrää vetypitoisuuden gradientin ja ajan, jolloin vedy saavuttaa sisäpinnan. Tässä artikkelissa esitetään kvantitatiiviset yhteydet 316 vaipan seinämän paksuuden ja vetyhaurastumisen riskin välillä ja annetaan ohjeita lämmittimien valinnassa käytettäväksi katodisesti suojatuissa meriympäristöissä.

Vedyn tunkeutumis- ja haurastumismekanismi 316 ruostumattomasta teräksestä
Kun katodinen suojajärjestelmä polarisoi ruostumattoman teräksen pinnan negatiiviseen potentiaaliin ympäristöön verrattuna, veden pelkistyessä syntyy atomivetyä: H2O + e- → H + OH-. Tämä atomivety voi joko yhdistyä uudelleen molekyylivetykaasuksi tai adsorboitua metallipinnalle ja imeytyä hilaan. Vedyn diffuusionopeus austeniittisessa ruostumattomassa teräksessä on suhteellisen alhainen verrattuna ferriittisiin teräksiin (n. . 10-12 - 10-14 m2/s huoneenlämpötilassa), mutta se on riittävän korkea lämmittimen toiminnan korkeassa lämpötilassa. Hilan sisällä vetyatomit jakautuvat paikkoihin, joissa kolmiakselinen jännitys on suuri, kuten kehittyvän väsymishalkeaman halkeaman kärkeen tai kuopan alla olevaan vetovyöhykkeeseen. Vety näissä paikoissa alentaa metallilinkkien koheesiolujuutta ja aiheuttaa hauraita murtumia paineissa, jotka ovat selvästi materiaalin tavanomaisen myötörajan alapuolella. Ruostumattoman 316-teräksen vetyhaurastuminen on selkeimmin 20-100 astetta, ja suurin herkkyys on noin 50-80 astetta. Yli 150 asteen lämpötilassa vety on tarpeeksi liikkuvaa pakenemaan pyyntipaikoista ja vähentää siten haurastumisen todennäköisyyttä. Korkeammissa pintalämpötiloissa toimivien lämmittimien vaippojen tapauksessa riski voi olla itsestään rajoittuva, jos metallin lämpötila ylittää noin 120 astetta.

Kuinka seinän paksuus vaikuttaa vetypitoisuuteen ja haurastumisriskiin
Vedyn virtaus vaippaan riippuu katodisuojauspotentiaalista ja ympäristön muuttujista. Vetyvirtauksen liikkeellepaneva voima on vetypitoisuus ulkopinnalla. Tietyllä vedyn pintapitoisuudella vakaan tilan -vetypitoisuus vaipan sisäpinnalla pienenee eksponentiaalisesti seinämän paksuuden kasvaessa. Vedyn pitoisuusprofiili noudattaa Fickin toista diffuusion lakia. Ohutseinämäisessä vaipassa < 1,0 mm vety diffundoituu koko seinämän paksuuden poikki viikoissa tai kuukausissa sisäpinnalle, jossa MgO-eristys ja vastuslanka sijaitsevat. Vetojännitykset esiintyvät sisäpinnalla, kuten ne aiheuttavat tiivistyneen MgO:n ja lämpölaajenemisen, ja vety voi aiheuttaa haurastumista. Paksu-seinämäisessä vaipassa, jonka paksuus on yli 1,8 mm, vetypitoisuus sisäpinnalla pysyy vuosia lähellä nollaa, koska diffuusioaika skaalautuu paksuuden neliön kanssa. Jos seinämän paksuus kasvatetaan 1,0 mm:stä 2,0 mm:iin, vety saavuttaa sisäpinnan neljä kertaa kauemmin. Kokeelliset tiedot vedyn läpäisystä 316 kalvon läpi paljastavat, että sisäpinnan pitoisuus saavuttaa 50 % vakaan tilan arvosta 60 asteessa katodisella polarisaatiolla -1,0 V vs. Ag/AgCl noin 90 päivän kuluttua 1,0 mm:n seinämillä. 1,6 mm:n seinä kestää 230 päivää. 2.0 mm seinä vaatii 360 päivää. 2,5 mm seinä kestää yli 560 päivää. Paksummat seinät aiheuttavat suuren viiveen vedyn saapumisessa, jolloin lämmitin voi toimia pitkiä aikoja ennen kuin haurastumisolosuhteet ilmaantuvat.

Vetyhaurastumisen kestävyys: seinämän paksuuden kynnys
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 astetta), ohuemmat seinämät voivat olla hyväksyttäviä, koska korkea lämpötila lisää vedyn diffuusiota, mutta myös vähentää herkkyyttä haurastumiselle. Seuraavassa taulukossa on ohjeita seinänpaksuudesta useille katodisuojaustyypeille, käyttölämpötiloille ja ennustetuille käyttöikään.

Katodisen suojan tyyppi Vaipan käyttölämpötila Vähimmäissuositeltu seinän paksuus 316 Suositeltu maksimi seinämän paksuus 316 astetta Odotettu vetyhaurastumisen riski
Sinkki tai alumiini suoja-anodit<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
Sinkki- tai alumiinisuojaanodit60 – 100 astetta 1,4 mm 2,0 mm Keskitasoinen; tarkista halkeamia
Sinkki- tai alumiinisuojaanoditYli 100 astetta 1,2 mm 1,8 mmMatala, desorboituvat lämpötilaan
Painumavirta (suuri-potentiaali)Alle 60 astetta 2,0 mm 2,5 mm Suuri vaara; lejeeringin päivittämistä suositellaan
Vaikutusvirta (suuri potentiaali) 60 – 100 astetta C 1,8 mm 2,5 mm Kohtalaisen paksut seinät
High potential (impressed current) >100 astetta 1,6 mm 2,0 mm Keskinkertainen, tiheä tarkastus
Katodinen suojaus ei mitäänEi vetyhaurastumisen vaaraa 0,8 mm Mikä tahansa lämpötila 2,5 mm
Vaikutettuihin katodisuojausjärjestelmiin, jotka toimivat negatiivisemmilla potentiaaleilla kuin -1,0 V vs. Ag/AgCl, vedyn muodostumisnopeus on merkittävä. 316 ruostumatonta terästä ei tavallisesti suositella tällaisiin tilanteisiin seinämän paksuudesta riippumatta. Määritä lejeerinkit, joilla on pienempi vedyn diffuusiokyky ja parempi haurastumisenkestävyys, kuten titaani tai metalliseos 625. Titaanilla on erityisesti itserajoittava puolustus, koska se muodostaa hydridikerroksen, joka itse asiassa estää enemmän vetyä pääsemästä sisään.

Suunnittelumuutokset vedyn haurastumisen riskin minimoimiseksi
Jos 316-vaippaa on käytettävä katodisesti suojatussa meriympäristössä ja lämpörajoitukset eivät salli seinämän paksuuden nostamista yli 1,6 mm:n, kolme rakennemuutosta voivat vähentää vetyhaurastumisen riskiä. Ensimmäinen on pinnoittaa vaipan ulkopinta sulkukerroksella. Tiheä, virheetön epoksi-, polyuretaani- tai fluoripolymeeripinnoite voi rajoittaa vedyn tunkeutumista kertoimella 10-100, jolloin diffuusioaika pitenee ikään kuin seinä olisi huomattavasti paksumpi. Pinnoitteessa ei saa olla reikiä ja se ei saa kestää merellistä biolikaa. Toinen säätö on käyttää lämmitintä yli 120 asteen pintalämpötilassa, mikäli mahdollista. Näissä lämpötiloissa vety desorboituu nopeasti pyyntipaikoista ja herkkyys haurastumiselle vähenee huomattavasti. Lämmitin, joka jaksottaa korkeaan lämpötilaan joka päivä, ei välttämättä koskaan kerää tarpeeksi vetyä aiheuttamaan halkeilua. Kolmas muutos on eristää sähköisesti lämmitin katodisesti suojatusta rakenteesta. Vaippa on suojattu katodisuojauspotentiaalilta ei--metallisilla kiinnityslaipoilla tai eristävillä tiivisteillä. Galvaanisista vaikutuksista saattaa edelleen syntyä vetyä, mutta käyttövoima on paljon pienempi. Insinöörien tulee neuvotella korroosioasiantuntijoiden kanssa ennen kuin määrittävät 316 vaippaa kaikkiin sovelluksiin, joissa on vaikuttava virtakatodinen suojaus. Vedyn haurastumisesta johtuvat paineistetut järjestelmät rikkoutuvat äkillisesti hauraalla halkeilulla ja vähäisellä muodonmuutoksella. Nämä epäonnistumiset voivat olla katastrofaalisia. Tärkeissä sovelluksissa vedyn{21}kestävän seoksen hinta on hyvin käytetty.