Kā 316 nerūsējošā tērauda apvalka sienas biezums ietekmē ūdeņraža trausluma risku, veicot elektrolītiskās vai katodaizsardzības pakalpojumus jūras lietojumos?

Bieži -neņemts vērā atteices mehānisms kuģu un jūras inženieriem, kuri izmanto elektriskos iegremdējamos sildītājus vidēs, kur darbojas katodaizsardzības sistēmas, piemēram, kuģu korpusos, jūras platformās un jūras ūdens ieplūdes konstrukcijās, ir 316 nerūsējošā tērauda apvalka ūdeņraža trauslums. Katodiskās aizsardzības ierīces (vai nu atlaižu anodi, vai iedarbinātā strāva) rada atomu ūdeņradi uz metāla virsmas kā aizsardzības procesa blakusproduktu. Šis ūdeņradis var migrēt 316 režģī, kur tas segregējas pie graudu robežām un ieslēgumiem, samazinot elastību un izraisot stiepes spriedzes pārrāvumu. Apvalka sienas biezums nosaka ūdeņraža koncentrācijas gradientu un laiku, kad ūdeņradis sasniedz iekšējo virsmu. Šajā rakstā ir sniegta kvantitatīvā saikne starp 316 apvalka sieniņu biezumu un ūdeņraža trausluma risku un sniegti norādījumi par sildītāju izvēli izmantošanai katodiski aizsargātā jūras vidē.

Ūdeņraža iespiešanās un trausluma mehānisms 316 nerūsējošajā tēraudā
Kad katoda aizsardzības sistēma polarizē 316 nerūsējošā tērauda virsmu līdz negatīvam potenciālam salīdzinājumā ar apkārtējo vidi, ūdens reducēšana rada atomu ūdeņradi: H2O + e⁻ → H + OH⁻. Šis atomu ūdeņradis var vai nu rekombinēties molekulārā ūdeņraža gāzē, vai adsorbēties uz metāla virsmas un iesūkties režģī. Ūdeņraža difūzijas ātrums austenīta nerūsējošajā tēraudā ir salīdzinoši zems, salīdzinot ar ferīta tēraudiem (apmēram . 10-12 līdz 10-14 m2/s istabas temperatūrā), taču tas ir pietiekami augsts augstā sildītāja darbības temperatūrā. Režģa iekšpusē ūdeņraža atomi sadalās vietās ar augstu triaksiālo spriegumu, piemēram, veidojas noguruma plaisas plaisas gals vai stiepes zona zem bedres. Ūdeņradis šajās vietās pazemina metāla saišu kohēzijas izturību un izraisa trauslus lūzumus pie spiediena, kas ir krietni zemāks par materiāla parasto tecēšanas robežu. 316 nerūsējošā tērauda ūdeņraža trauslums ir visizteiktākais robežās no 20 grādiem līdz 100 grādiem, un maksimālā jutība ir aptuveni 50-80 grādiem. Virs 150 grādiem ūdeņradis ir pietiekami mobils, lai izkļūtu no slazdošanas vietām, un tādējādi samazina trausluma iespējamību. Sildītāja apvalkiem, kas strādā paaugstinātā virsmas temperatūrā, risks var būt pašierobežojošs, ja metāla temperatūra pārsniedz aptuveni 120 grādus.

Kā sienas biezums ietekmē ūdeņraža koncentrāciju un trausluma risku
Ūdeņraža plūsma uz apvalku ir atkarīga no katoda aizsardzības potenciāla un apkārtējās vides mainīgajiem lielumiem. Ūdeņraža plūsmas virzītājspēks ir ūdeņraža koncentrācija uz ārējās virsmas. Noteiktai ūdeņraža virsmas koncentrācijai stabilā -stāvokļa ūdeņraža koncentrācija apvalka iekšējā virsmā eksponenciāli samazinās, palielinoties sienas biezumam. Ūdeņraža koncentrācijas profils atbilst Fika otrajam difūzijas likumam. Plānas -sienu apvalkam < 1,0 mm ūdeņradis nedēļās vai mēnešos izkliedēsies visā sienas biezumā uz iekšējo virsmu, kur atrodas MgO izolācijas un pretestības stieple. Stiepes spriegumi pastāv uz iekšējās virsmas, tāpat kā no saspiestā MgO un termiskās izplešanās, un ūdeņradis var radīt trausluma plaisāšanu. Biezu -sienu apvalkā, kura biezums ir lielāks par 1,8 mm, ūdeņraža koncentrācija uz iekšējās virsmas gadiem ilgi saglabājas tuvu nullei, jo difūzijas laiks mērogojas ar biezuma kvadrātu. Ja sienas biezumu palielina no 1,0 mm līdz 2,0 mm, četras reizes ilgāks laiks, kas nepieciešams, lai ūdeņradis sasniegtu iekšējo virsmu. Eksperimentālie dati par ūdeņraža caurlaidību caur 316 membrānām atklāj, ka iekšējās virsmas koncentrācija sasniedz 50% no līdzsvara stāvokļa vērtības pie 60 grādiem ar katoda polarizāciju -1,0 V pret Ag/AgCl pēc apmēram 90 dienām sienai ar 1,0 mm. 1,6 mm sienai nepieciešamas 230 dienas. 2.0 mm sienai nepieciešamas 360 dienas. 2,5 mm siena aizņem vairāk nekā 560 dienas. Biezākas sienas rada lielu kavēšanos ūdeņraža ienākšanā, tādējādi ļaujot sildītājam darboties ilgu laiku, pirms parādās trausluma apstākļi.

Izturība pret ūdeņraža trauslumu: sienas biezuma slieksnis
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 grādi), var būt pieņemamas plānākas sienas, jo augsta temperatūra palielina ūdeņraža difūziju, bet arī samazina trausluma jutību. Nākamajā tabulā ir sniegtas sienu biezuma vadlīnijas vairākiem katodaizsardzības veidiem, darba temperatūrai un paredzamajam kalpošanas laikam.

Katodiskās aizsardzības veids Apvalka darba temperatūra Minimālais ieteicamais sienas biezums 316 Ieteicamais maksimālais sienas biezums 316 grādi Paredzamais ūdeņraža trausluma risks
Cinka vai alumīnija upura anodi<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
Cinka vai alumīnija upura anodi60 – 100 grādi 1,4 mm 2,0 mm Vidēji; pārbaudiet, vai nav plaisāšanas
Cinka vai alumīnija aizsarganodi Virs 100 grādiem 1,2 mm 1,8 mm Zema ar temperatūras desorbēšanu
Iespaidstrāva (augsts-potenciāls) Zem 60 grādiem 2,0 mm 2,5 mm Augsta bīstamība; ieteicama sakausējuma modernizācija
Iespaidstrāva (augsts potenciāls) 60–100 grādi C 1,8 mm 2,5 mm Vidēji biezas sienas
High potential (impressed current) >100 grādi 1,6 mm 2,0 mm Mērena, bieža pārbaude
Katodiskā aizsardzība nav Nav ūdeņraža trausluma riska 0,8 mm Jebkura temperatūra 2,5 mm
Ietekmētas strāvas katodaizsardzības sistēmām, kas darbojas ar potenciālu, kas ir negatīvāks par -1,0 V salīdzinājumā ar Ag/AgCl, ūdeņraža veidošanās ātrums ir ievērojams. 316. Šādās situācijās nerūsējošais tērauds parasti netiek ieteikts neatkarīgi no sienas biezuma. Norādiet sakausējumus ar zemāku ūdeņraža difūziju un lielāku izturību pret trauslumu, piemēram, titānu vai sakausējumu 625. Titānam ir īpaši ierobežota aizsardzība, jo tas rada hidrīda slāni, kas faktiski novērš vairāk ūdeņraža iekļūšanu.

Dizaina modifikācijas, lai samazinātu ūdeņraža trausluma risku
Ja 316 apvalks ir jāizmanto katodiski aizsargātā jūras vidē un termiskie ierobežojumi neļauj palielināt sienas biezumu par 1,6 mm, trīs konstrukcijas izmaiņas var samazināt ūdeņraža trausluma risku. Pirmais ir apvalka ārējās virsmas pārklāšana ar barjeras slāni. Blīvs,-bez defektu epoksīda, poliuretāna vai fluorpolimēra pārklājums var ierobežot ūdeņraža iespiešanos par koeficientu 10 līdz 100, tādējādi difūzijas laiks palielinās tā, it kā siena būtu ievērojami biezāka. Pārklājumam jābūt bez caurumiem un jābūt izturīgam pret jūras bioloģisko piesārņojumu. Otrais regulējums ir sildītāja darbināšana virsmas temperatūrā virs 120 grādiem, kur tas ir iespējams. Šādās temperatūrās ūdeņradis ātri desorbējas no slazdošanas vietām, un ir ievērojami samazināta jutība pret trauslumu. Sildītājs, kas katru dienu cikliski sasniedz augstu temperatūru, nekad nevar izveidot pietiekami daudz ūdeņraža, lai izraisītu plaisāšanu. Trešā izmaiņa ir sildītāja elektriskā izolācija no katodiski aizsargātās konstrukcijas. Apvalks ir aizsargāts no katodaizsardzības potenciāla ar nemetāliskiem montāžas atlokiem vai izolācijas blīvēm. Joprojām var rasties ūdeņraža veidošanās no galvaniskiem efektiem, taču dzinējspēks ir daudz mazāks. Inženieriem jākonsultējas ar korozijas speciālistiem, pirms tiek norādīti 316 apvalki jebkuram lietojumam, kurā ir spēcīga strāvas katoda aizsardzība. Spiediensistēmas, kas sabojājas ūdeņraža trausluma dēļ, pēkšņi saplīst ar trauslām plaisām un nelielu iepriekšēju deformāciju. Šīs neveiksmes var būt katastrofālas. Svarīgiem lietojumiem ūdeņraža{21}izturīga sakausējuma izmaksas ir lietderīgi iztērēta nauda.