Kako odstotek predhodnega hladnega dela cevi grelnega plašča iz nerjavečega jekla 316 nadzoruje učinkovitost lovljenja vodika in tveganje zapoznelega razpokanja v katodno zaščitenih sistemih

Deformacija inducirana gostota lovitvenega mesta kot parameter vodikove krhkosti

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 %) lahko velika mesta lovilcev zmanjšajo krhkost (široka porazdelitev vodika) ali spodbujajo krhkost (koncentrirana polja napetosti). Vendar pa je za 316 v službi katodne zaščite minimalno tveganje krhkosti pri skrajnih mejah polnega žarjenja (<5% cold work) or heavy cold work (>30 % z naknadno sprostitvijo stresa). Ta članek kvantificira povezavo med količino hladnega dela, učinkovitostjo lovljenja vodika in tveganjem zakasnjenega pokanja.

Mehanizmi lovljenja vodika v hladno obdelana avstenitna nerjavna jekla

Vodik lahko prodre v nerjavno jeklo 316 s površine katode, ki nastane z redukcijo vode (2H2O + 2e− → H2 + 2OH−). Difuzivnost vodika v avstenitni mreži (FCC) je visoka (~10-10cm2/s pri 25 stopinjah), topnost pa nizka. Hladno delo ustvarja mesta pasti, ki močneje vežejo vodik: dislokacije (energija vezave ~ 30-40 kJ/mol), prazna mesta (~ 50-60 kJ/mol) in martenzit, povzročen z deformacijami (BCC, z znatno večjo topnostjo vodika, ~ 10 4 višja od avstenita). Pri nizkih gostotah pasti vodik hitro teče skozi rešetko in pusti kovino brez poškodb. Pri vmesnih gostotah pasti se vodik kopiči na mestih pasti; zlasti na trojnih točkah in vmesnikih med inkluzijo in matriko se rekombinira, da ustvari molekularni vodik, ki povzroča notranje pritiske in sproža razpoke. Pri zelo visokih gostotah lovilcev so mesta lovilcev tako številna, da je vodik zelo fino razpršen in lokalni pritisk na nobenem posameznem mestu lovilcev ni zadosten, da bi povzročil razpoke – če material ni pod znatno natezno obremenitvijo.

Kvantificirana korelacija med delom v hladnem in tveganjem zapoznelega pokanja

Čas do razpok (zakasnjena odpoved) kot funkcija predhodnega hladnega dela je bil določen s preskusom konstantne obremenitve 316 cevi (vzorci upogiba U-) v simulirani morski vodi pri 25 C s katodno zaščito (priložena napetost -1050 mV v primerjavi z Ag/AgCl).

Prejšnja hladna obdelava (% zmanjšanje) Trdota (HV) Deformacija-Inducirani martenzit (%) Gostota lovljenja vodika (relativno) Čas do zakasnjenega razpokanja v CP (ure, 75 % meja tečenja) Ocena tveganja za zakasnjeno razpokanje 0 (žarjeno) 150-180<1 1× (baseline) >10.000 (brez pokanja) Zelo nizko 5-10 180-210 1-3 2-3x 5.000-10.000 Nizko 10-15 210-240 3-6 5-8× 2.000-5.000 Zmerno 15-20 240-270 6-10 10-15× 500-2.000 Visoko 20-25 270-300 10-15 15-20× 100-500 Hudo 25-30 300-330 15-20 20-25× 50-200 Zelo hudo
30-35 330-360 18-22 25-30× 100-500 (plateau) High (but better than 20-25%) >40 >360 >25 >30 × 500-2000 (nasičeno) Srednje
Učinek žarjenja za zmanjšanje napetosti na lovljenje vodika

Žarjenje za razbremenitev napetosti pri 400-450 stopinjah za 1-2 uri zmanjša gostoto dislokacij brez prekristalizacije zrnate strukture ali odstranitve martenzita, ki ga povzroči deformacija. Ta obdelava zmanjša učinkovitost lovljenja vodika za približno 50 %, kar močno izboljša odpornost proti zapoznelemu pokanju.

Delo v hladnem (%) po-oblikovalni toplotni obdelavi Relativna gostota lovilca (kot-narisano=1.0) Čas do zakasnjenega pokanja (ure, 75-odstotni izkoristek) Priporočeno za storitev CP 15 Brez 12 × 500-1000 Ne 15 400 stopinj, 1 ura 6 × 2000-4000 ja
20 Brez 18x 100-500 Št
20 450 stopinj, 2 uri 8 × 1.500-3.000 Mejno 25 Brez 22 × 50-200 Ne 25 500 stopinj, 2 uri 10 × 1.000-2.000 Ne (še vedno visoko tveganje)
25 Full solution anneal (1,040°C) 1× >10.000 Da (vrne se v žarjeno)
Katodni zaščiteni grelniki, praktični nasveti

Za katodno zaščitene sisteme naslednja merila za 316 oplaščene grelnike zmanjšajo dovzetnost za vodikovo krhkost in zakasnjeno pokanje:

Uporabljeni potencial (mV v primerjavi z Ag/AgCl) Vrsta katodne zaščite Maks. Dovoljeno hladno delo (%) Priporočena obdelava po oblikovanju Drugega materiala
Žrtvene anode (cink/aluminij) -800 do -1000 (majhna nevarnost) 25 Ne ali 400-stopinjska razbremenitev napetosti 316 sprejemljivo
Vtisnjeno sedanjost (nizka prekomerna zaščita) --1.050 do 1,000 15 450316L zaželeno, stres razbremenjen pri stopnji
Vtisnjeni tok (standardno) -1,050 do -1,100 10 Žarjenje s polno raztopino Duplex 2205
Vtisnjeni tok (visoka prekomerna zaščita) --1.200 do 1.100<5 Full solution anneal required Titanium or Alloy 625
Kakršno koli, občasno delovanje Identifikacija polja zakasnjenega pokanja, ki ga povzroči vodik 20 450 stopnja razbremenitve napetosti 316 sprejemljivo s spremljanjem

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) in se uporablja v sistemu z vtisnjenim tokom CP pri potencialih pod -1050 mV. Za nadomestne grelnike je treba določiti polno raztopinsko žarjenje (ali vsaj zmanjšanje napetosti) in največjo trdoto 200 HV.

ZAKLJUČEK: OMEJITVE HLADNEGA DELA ZA STORITEV KATODNE ZAŠČITE

Pri grelnikih iz nerjavečega jekla 316 v katodno zaščitenih sistemih odstotek predhodnega hladnega dela določa učinkovitost lovljenja vodika in tveganje zapoznelega razpokanja. Največje tveganje je pri 20-30 % hladnem delu (trdota 270-330 HV), kjer je gostota mesta lovilca dovolj visoka, da zadrži vodik, vendar ne dovolj visoka, da bi omogočila njegovo fino porazdeljeno sproščanje. Najmanjša nevarnost je pri popolnoma žarjenem materialu (<5% cold work) and in substantially cold worked material with post stress release (>30 % hladno delo + 450 stopnja obdelave). Za ovoje 316 v pomorskih ali podzemnih sistemih CP morajo inženirji vzdrževati hladno delo na manj kot 15 % in določiti žarjenje za razbremenitev napetosti po oblikovanju pri 400–450 stopinjah. Za sisteme z vtisnjenim tokom s potenciali, nižjimi od -1050 mV, se priporoča polno žarjenje ali nadgradnja na duplex 2205. Tukaj podani okvir vzpostavlja razmerje med odstotkom hladne obdelave in gostoto vodikove pasti ter zakasnjenim časom razpok, kar strankam omogoča, da določijo 316 ovojov, ki so odporni na vodikovo krhkost v katodno zaščitenih situacijah.