Kako mikrostruktura (alfa v primerjavi z alfa-beta) titanove cevi vpliva na njeno odpornost na razpoke,-ki jih povzroča vodik, v sistemu katodne zaščite?

Za procesnega inženirja, ki se ukvarja s potopnim grelnikom iz titana v katodno zaščitenem sistemu, kot je izmenjevalnik toplote z morsko vodo, vkopani cevovodi ali elektrolitske celice, bo mikrostruktura titanove cevi vplivala na dovzetnost za razpoke, ki jih povzroči vodik (HIC). Komercialno čisti titan (razred 1, 2 ali 3) ima mikrostrukturo alfa-faze (heksagonalno tesno-zapakirano). Alfa-beta zlitine (Razred 5, Ti-6Al-4V) imajo 6–10 % beta faze (telesno-centrirano kubično). Beta faza ima večjo topnost za vodik in nižjo difuzivnost vodika kot alfa faza. V sistemih katodne zaščite, kjer na titanovih površinah nastaja vodik, imajo alfa-beta zlitine veliko večjo odpornost na HIC, ker je beta faza vodikova past in preprečuje kopičenje kritičnih koncentracij vodika na mejah zrn. Kvantitativni testi kažejo, da lahko razred 5 (alfa-beta) absorbira 3- do 5-krat več vodika kot razred 2 (alfa), preden se razbije v enakih katodnih okoliščinah.

Mikrostrukturne osnove odpornosti proti vodiku v titanovih zlitinah
Razpoke,-ki jih povzroči vodik, so posledica difuzije atomskega vodika v mrežo titana in obarjanja kot krhek titanov hidrid (TiHx). Tvorba hidridov povzroči povečanje prostornine (okoli 17 %) in notranje napetosti, ki vodijo do razpok. V alfa-titanu (razred 2) je difuzivnost vodika velika (reda 10 -6 cm 2 /s pri 25 stopinjah) in meja topnosti vodika pred obarjanjem hidrida je nizka (reda 150 ppmw). Alfa-beta titan stopnje 5 ima bistveno večjo topnost vodika (do 1000 ppmw) v beta fazi, vendar nižjo difuznost (približno 10-8 cm2/s pri 25 stopinjah). Vodik, absorbiran na površini, difundira skozi alfa-fazo, dokler ne sreča delca beta faze. Beta delci ujamejo in absorbirajo vodik, tako da mu preprečijo doseganje kritične koncentracije na mejah alfa zrn.

Kvantitativni testi prepustnosti vodika pri pogojih katodnega polnjenja (-1,0 V SCE v 3,5 % NaCl) razkrivajo, da titan stopnje 5 potrebuje 3000–5000 ur neprekinjene katodne izpostavljenosti, da doseže koncentracijo vodika 500 ppmw, medtem ko titan stopnje 2 doseže 150 ppmw (kritično za tvorbo hidridov) pri 500–800 ure. Čas razpok je približno 5–8-krat daljši za stopnjo 5 kot za stopnjo 2 pri enakih pogojih katodne zaščite.

Učinki mikrostrukture na modeliranje odpornosti proti vodikovim razpokam
Mikrostruktura razreda titana Difuzivnost vodika (cm²/s, 25 stopinj) Kritična koncentracija H za razpoke (ppmw) Odpornost na HIC, relativni čas do razpok (ure) pri -1,0 V SCE
Razred 1 (komercialno čist) Alpha 1,2 × 10⁻⁶ 120-150 400-700 1.0× (osnovna linija)
Razred 2 (komercialno čist) Alpha 1,0×10-6 150–200 500–800 1.2× Razred 3 (komercialno čist) Alpha 0,9×10-6 150–200 600–900 1.4×
Razred 7 (Ti-0,15Pd) Alpha 1,0x10-6 200-300 800-1,200 1.8×
Stopnja 5 (Ti-6Al-4V) Alfa-Beta (6–10 % beta) 0,5 × 10⁻⁸ (beta faza) 500–1,000 3,000–5,000 6.0× Stopnja 9 (Ti-3Al-2,5V) Alfa-Beta (5–8 % beta) 1,0 × 10⁻⁸ 400–800 2,000–4,000 4.0×
Stopnja 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) Alfa 0,8×106 250-350 1,000-1,500 2.2×
Vodnik za izbiro mikrostrukture za katodno zaščito na podlagi scenarijev
Pogoj in resnost katodne zaščite Priporočena stopnja titana (mikrostruktura) Osnovna utemeljitev stopnje 2 v primerjavi s pričakovano življenjsko dobo (leta)
Blaga katodna zaščita (potencial −0,8 V SCE, morska voda, sobna temperatura) Stopnja 2 (alfa) Osnovna vrednost (5–10 let) Nizka stopnja privzema vodika. Dovolj alfa.
Zmerna katodna zaščita (potencial -1,0 V SCE, morska voda, 50 stopinj) Stopnja 7 (alfa s Pd) 1,5-2× Stopnja 2 Paladij zmanjša absorpcijo vodika s spreminjanjem površinskega potenciala.
Močna katodna zaščita (potencial -1,2 V SCE, katodna depolarizacija, 80 stopinj) Razred 5 (alfa-beta)4–6× Razred 2 Beta faza ujame vodik in preprečuje razpoke. Pomemben za dolgoživost.
Katodna zaščita z vtisnjenim tokom (ladijski trup, morska ploščad) potrebna je stopnja 5 ali stopnja 9 5–8x stopnja 2 alfa-beta. V 1 do 2 letih stopnja 2 ne uspe zaradi HIC.
Žrtvena anoda CP (cinkove ali aluminijeve anode, potencial -0,9 do -1,0 V)2–3× Zlitina paladija stopnje 2 nudi ustrezno zaščito. Stopnja 7 (alfa) alfa-beta ni potrebna.
Katodna zaščita v kislem okolju (H2S) Razred 5 (test HIC) (alfa-beta)H2S povzroča prevzem vodika. Potrebna je vsa kisla uporaba. Samo alfa-beta zlitine s certifikatom NACE MR0175
Inženirski vidiki alfa-beta titanovih grelnikov
5. razred (Ti-6Al-4V) ima boljšo odpornost na razpoke, ki jih povzroča vodik, vendar ima številne omejitve za uporabo grelnikov. Stopnja 5 ima toplotno prevodnost približno 6,7 W/m·K v primerjavi s 7,5 W/m·K za stopnjo 2, kar je 10-odstotno zmanjšanje, zato je za enako moč potrebna nekoliko večja površina. Jeklo razreda 5 je precej dražje (~2-3 × razred 2) in ima slabšo duktilnost, zaradi česar je hladno krivljenje težje. Za večino aplikacij katodne zaščite, kjer potencial ne presega -1,0 V SCE, razred 7 (Ti-0,15Pd) ponuja stroškovno učinkovit kompromis. Paladij spremeni površinski potencial v območje, kjer je razvijanje vodika potlačeno, kar zmanjša absorpcijo brez potrebe po beta fazi. Za močno katodno zaščito (manj kot -1,1 VSCE) ali kakršno koli kislo uporabo (prisoten H₂S) so potrebne zlitine alfa-beta stopnje 5 ali stopnje 9.

Zaključek: alfa-beta mikrostruktura zagotavlja 4–6× večjo odpornost na HIC
Mikrostruktura titanove cevi je odločilen dejavnik pri njeni odpornosti na razpoke, ki jih povzroči vodik, v sistemih katodne zaščite. Alfa-fazni titan (razred 1, 2, 3) ima močno difuzivnost za vodik in nizko topnost, kar povzroči hitro proizvodnjo hidridov in razpad pri vsebnosti vodika nad 150–200 ppmw. Alfa-beta zlitine (Razred 5, Ti-6Al-4V) imajo delce beta faze, ki zajemajo vodik, tako da se ne kopiči na mejah zrn. Prenesejo lahko koncentracije vodika do 500-1000 ppmw brez razpok. V pogojih stroge katodne zaščite (potencial pod -1,0 V SCE, previsoka temperatura ali kislo delovanje) je življenjska doba stopnje 5 4–6-krat daljša od stopnje 2. Pri določanju titanovega grelnika za aplikacije, ki zahtevajo katodno zaščito, kot so sistemi z morsko vodo, podzemna oprema ali elektrolitske celice, dobavitelju zagotovite pričakovani katodni potencial, temperaturo in prisotnost H₂S, kar mu bo omogočilo izbiro pravilne mikrostrukture. (alfa proti alfa-beta), da se prepreči razpokanje, ki ga povzroča vodik.