Kuinka aiempi kylmätyöstöprosentti ruostumattomasta teräksestä valmistetussa lämmittimen vaippaletkussa säätelee vedyn pidätystehoa ja viivästynyttä halkeilua katodisuojatuissa järjestelmissä

Muodonmuutos aiheutti loukun tiheyden vetyhaurauden parametrina

For cathodically protected systems like marine immersed heaters, offshore platform equipment or buried pipeline heaters with impressed current cathodic protection, the prior cold work percentage of the sheath tubing directly controls the risk of hydrogen embrittlement and delayed cracking for 316 stainless steel sheathed electric heating tubes. Dislocations, voids and strain-induced martensite are the hydrogen trap sites produced by cold work. At low cold work percentages ( 0-10% ) trap site density is low , hydrogen diffuses fast through the lattice and the risk of cracking is limited . Trap site density is moderate at intermediate cold work (15-25%) and hydrogen is dispersed within the microstructure with increased embrittlement susceptibility. At high cold work (>30 %), suuret pyyntipaikat voivat vähentää haurastumista (vedyn laaja jakautuminen) tai edistää haurastumista (keskittyneet stressikentät). Kuitenkin katodisuojauspalvelussa 316:lle pienin haurastumisriski on täyden hehkutuksen äärimmäisissä rajoissa (<5% cold work) or heavy cold work (>30 % myöhemmän stressin vapautumisen kanssa). Tässä artikkelissa kvantifioidaan yhteys kylmätyön määrän, vetyloukun tehokkuuden ja viivästyneen halkeilun riskin välillä.

Vedyn sitomismekanismit kylmämuistetuissa austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä

Vetyä voi tunkeutua 316 ruostumattomaan teräkseen katodin pinnasta veden pelkistyksen seurauksena (2H2O + 2e− → H2 + 2OH−). Vedyn diffuusiokyky austeniittihilassa (FCC) on korkea (~10-10 cm2/s 25 asteessa) ja liukoisuus on alhainen. Kylmätyö luo ansapaikkoja, jotka sitovat vetyä voimakkaammin: dislokaatioita (sitoutumisenergia ~ 30-40 kJ/mol), tyhjiä paikkoja (~ 50-60 kJ/mol) ja venytyksen aiheuttamaa martensiittia (BCC, huomattavasti parempi vetylukoisuus, ~ 10 4 korkeampi kuin austeniitti). Pienillä ansatiheyksillä vety virtaa nopeasti hilan läpi ja jättää metallin vapaaksi. Keskimääräisillä ansatiheyksillä vetyä kerääntyy ansapaikkoihin; Erityisesti kolmoispisteissä ja inkluusio-matriisirajapinnoissa se yhdistyy uudelleen muodostaen molekyylivetyä aiheuttaen sisäisiä paineita ja aiheuttaen halkeamia. Erittäin suurilla loukkutiheyksillä loukkukohtia on niin paljon, että vety dispergoituu hyvin hienojakoisesti eikä paikallinen paine missään yksittäisessä loukkukohdassa riitä aiheuttamaan halkeilua – jos materiaalissa ei ole merkittävää vetojännitystä.

Määrällinen korrelaatio kylmätyön ja viivästyneen halkeiluriskin välillä

Aika halkeiluon (viivästynyt vika) aikaisemman kylmätyön funktiona on määritetty vakiokuormitustestauksella 316 putkella (U-taivutusnäytteet) simuloidussa merivedessä 25 C:ssa katodisella suojauksella (jännite -1 050 mV vs. Ag/AgCl).

Edellinen kylmätyöstö (% lasku) Kovuus (HV) Jännitys-Indusoitu martensiitti (%) Vedyn pidätystiheys (suhteellinen) Aika viivästyneeseen halkeamiseen CP:ssä (tunteja, 75 %:n tuottojännitys) Viivästyneen halkeilun riskiluokitus 0 (hehkutettu) 150-180<1 1× (baseline) >10 000 (ei halkeilua) Erittäin matala 5-10 180-210 1-3 2-3x 5 000 - 10 000 Matala 10-15 210-240 3-6 5-8 × 2 000 - 5 000 Keskitaso 15-20 240-270 6-10 10-15 × 500 - 2 000 Korkea 20-25 270-300 10-15 15-20 × 100 - 500 Vaikea {{15-}00
30-35 330-360 18-22 25-30× 100-500 (plateau) High (but better than 20-25%) >40 >360 >25 >30× 500–2 000 (kyllästetty) Keskikokoinen
Stressiä lievittävän hehkutuksen vaikutus vetyloukkuun

Stressinpoistohehkutus 400-450 asteessa 1-2 tunnin ajan vähentää dislokaatiotiheyttä ilman, että raerakenne uudelleenkiteytyy tai venytyksen aiheuttama martensiitti poistetaan. Tämä käsittely vähentää vetyloukun tehokkuutta noin 50 %, mikä parantaa huomattavasti vastustuskykyä viivästyneelle halkeilulle.

Kylmätyöstö (%) Jälki-Muotoilun lämpökäsittelyn suhteellinen loukun tiheys (-vedettynä=1.0) Aika viivästyneeseen halkeiluun (tuntia, 75 %:n saanto) Suositellaan CP-palveluun 15 Ei mitään 12× 500-1 000 Ei 15 400 0 x 0,00 astetta , - 1,0
20 Ei mitään 18x 100-500 Ei
20 450 tutkinto , 2 tuntia 8 × 1 500-3 000 Marginaali 25 Ei mitään 22 × 50 - 200 Ei 25 500 aste , 2 tuntia 10 × 1 000 - 2 000 Ei (riski edelleen suuri)
25 Full solution anneal (1,040°C) 1× >10 000 Kyllä (palaa hehkutettuun)
Katodisuojatut lämmittimet, käytännön vinkkejä

Katodisesti suojatuissa järjestelmissä seuraavat kriteerit 316-vaippaisten lämmittimien osalta minimoivat herkkyyden vetyhaurastumiselle ja viivästyneelle halkeilulle:

Sovellettu potentiaali (mV vs. Ag/AgCl) Katodisuojaus TyyppiMax. Sallittu kylmätyöstö (%) Suositeltu käsittely muun materiaalin muodostamisen jälkeen
Uhrautuvat anodit (sinkki/alumiini) -800 - -1 000 (pieni vaara)25 Ei tai 400 asteen jännityksenpoisto 316 hyväksyttävä
Vaikutettu läsnäolo (matala ylisuojaus) --1 050 - 1,000 15 450316L mieluiten, stressi lievitetty asteella
Vaikutusvirta (vakio) -1 050 - -1,100 10 Täysi liuoshehkutus Duplex 2205
Vaikutusvirta (suuri ylisuojaus) -1 200 - 1 100<5 Full solution anneal required Titanium or Alloy 625
Mikä tahansa, ajoittainen toiminta Vedyn aiheuttaman viivästyneen halkeilun kenttätunniste 20 450 asteen jännityksenpoisto 316 hyväksyttävä seurannan kanssa

In a cathodic protected system with no significant corrosion (no pitting, no scale) if a 316 heater fails then hydrogen embrittlement should be suspected. The cracks are generally transgranular, non-branching, surface initiated. The fracture surface can display quasi-cleavage features with little dimples. Hydrogen embrittlement is the likely cause if the heater was made from cold drawn tubing (hardness >250 HV) ja sitä käytetään järjestelmässä, jossa painevirta CP on alle -1 050 mV. Vaihtolämmittimissä tulee olla täysi liuoshehkutus (tai ainakin jännityksenpoisto) ja enimmäiskovuus 200 HV.

PÄÄTELMÄ: KYLMÄTYÖN RAJOITUKSET KATODISUOJAUSPALVELUKSELLE

316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyille lämmittimille katodisesti suojatuissa järjestelmissä aikaisemman kylmätöiden prosenttiosuus määrittää vetyloukun tehokkuuden ja viivästyneen halkeilun riskin. Suurin riski on 20-30 % kylmätyössä (kovuus 270-330 HV), jossa loukun paikan tiheys on riittävän suuri pitämään vetyä, mutta ei tarpeeksi korkea salliakseen sen vapautumisen hienojakoisesti. Pienin vaara on täysin hehkutetussa materiaalissa (<5% cold work) and in substantially cold worked material with post stress release (>30 % kylmätyöstö + 450 asteen käsittely). Meri- tai maanalaisten CP-järjestelmien 316 vaippaa varten insinöörien on pidettävä kylmätyö alle 15 %:ssa ja määritettävä 400-450 asteen pylväs{5}}jännitteenpoistohehkutus. Vaikutettuihin virtajärjestelmiin, joiden potentiaalit ovat alle -1 050 mV, on suositeltavaa suorittaa täydellinen liuoshehkutus tai päivittää duplex 2205:een. Tässä annettu kehys määrittää suhteen kylmätyön prosenttiosuuden ja vetyloukun tiheyden ja viivästyneen halkeiluajan välillä, jolloin asiakkaat voivat määrittää 316 vaippaa, jotka kestävät vetyhaurautta katodisesti suojatuissa tilanteissa.