Ako predchádzajúce percento práce za studena 316 rúrok ohrievača z nehrdzavejúcej ocele riadi účinnosť zachytávania vodíka a riziko oneskoreného praskania v katodicky chránených systémoch

Deformácia indukovala hustotu miesta pasce ako parameter vodíkového skrehnutia

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%), veľké miesta pascí môžu znížiť krehnutie (široká distribúcia vodíka) alebo podporiť krehnutie (koncentrované napäťové polia). Avšak pre 316 v službe katódovej ochrany je minimálne riziko krehnutia na extrémoch úplného žíhania (<5% cold work) or heavy cold work (>30 % s následným uvoľnením stresu). Tento článok kvantifikuje súvislosť medzi množstvom práce za studena, účinnosťou zachytávania vodíka a rizikom oneskoreného praskania.

Mechanizmy zachytávania vodíka v austenitických nehrdzavejúcich oceliach spracovaných za studena

Vodík môže infiltrovať do nehrdzavejúcej ocele 316 z povrchu katódy vytvoreného redukciou vody (2H2O + 2e− → H2 + 2OH−). Difuzivita vodíka v austenitovej mriežke (FCC) je vysoká (~10-10cm2/s pri 25 stupňoch) a rozpustnosť je nízka. Práca za studena vytvára pasce, ktoré silnejšie viažu vodík: dislokácie (väzbová energia ~ 30-40 kJ/mol), vakancie (~ 50-60 kJ/mol) a namáhaním indukovaný martenzit (BCC, s výrazne vyššou rozpustnosťou vodíka, ~ 10 4 vyššou ako austenit). Pri nízkych hustotách pascí vodík rýchlo prúdi cez mriežku a zanecháva kov bez poškodenia. Pri stredných hustotách pascí sa vodík hromadí na miestach pascí; najmä v trojitých bodoch a na rozhraniach medzi inklúziou a matricou sa rekombinuje a vytvára molekulárny vodík, ktorý spôsobuje vnútorné tlaky a iniciuje praskliny. Pri veľmi vysokých hustotách lapačov je miest lapačov tak veľa, že vodík je rozptýlený veľmi jemne a lokálny tlak na ktoromkoľvek mieste lapača nie je dostatočný na to, aby spôsobil praskanie – ak materiál nie je pod výrazným ťahovým napätím.

Kvantifikovaná korelácia medzi prácou za studena a rizikom oneskoreného praskania

Čas do prasknutia (oneskorené zlyhanie) ako funkcia skoršej práce za studena sa určil testovaním konštantného zaťaženia 316 hadíc (vzorky ohybu U-) v simulovanej morskej vode pri 25 C s katódovou ochranou (aplikované napätie -1 050 mV vs. Ag/AgCl).

Predchádzajúca práca za studena (% pokles) Tvrdosť (HV) Deformácia-Indukovaný martenzit (%) Hustota zachytávania vodíka (relatívna) Čas do oneskoreného praskania v CP (hodiny, 75 % medza klzu) Hodnotenie rizika oneskoreného praskania 0 (žíhané) 150-180<1 1× (baseline) >10 000 (bez praskania) Veľmi nízka 5-10 180-210 1-3 2-3x 5 000 – 10 000 Nízka 10-15 210-240 3-6 5-8× 2 000 – 5 000 Stredná 15-20 240-270 6-10 10-15× 500 – 2 000 Vysoká 20-25 270-300 10-15 15-20× 100 – 500 Su ťažká {{15}–20}× Ťažká
30-35 330-360 18-22 25-30× 100-500 (plateau) High (but better than 20-25%) >40 >360 >25 >30× 500-2 000 (nasýtené) Stred
Účinok žíhania na zmiernenie stresu na zachytávanie vodíka

Žíhanie na zmiernenie napätia pri 400-450 stupňoch počas 1-2 hodín znižuje hustotu dislokácií bez rekryštalizácie štruktúry zŕn alebo odstránenia martenzitu vyvolaného deformáciou. Táto úprava znižuje účinnosť zachytávania vodíka približne o 50 %, čo výrazne zvyšuje odolnosť voči oneskorenému praskaniu.

Práca za studena (%) Po-relatívna hustota pasce po tepelnom spracovaní (ako-nakreslená=1.0)Čas do oneskoreného praskania (hod., 75 % výťažok)Odporúčané pre službu CP 15 Žiadne 12× 500-1 000 Nie 15 400 stupeň 00×200, 1 hodina
20 Žiadne 18x 100-500 Č
20 450 stupeň , 2 hodiny 8× 1 500 – 3 000 Okrajový 25 Žiadny 22× 50 – 200 Nie 25 500 stupeň , 2 hodiny 10× 1 000 – 2 000 Nie (stále vysoké riziko)
25 Full solution anneal (1,040°C) 1× >10 000 Áno (návrat do žíhaného)
Katódové chránené ohrievače, praktické tipy

Pre katodicky chránené systémy nasledujúce kritériá pre 316 plášťové ohrievače minimalizujú náchylnosť na vodíkové krehnutie a oneskorené praskanie:

Použitý potenciál (mV verzus Ag/AgCl) Typ katódovej ochrany Max. Prípustná práca za studena (%) Odporúčaná úprava po formovaníIný materiál
Obetované anódy (zinok/hliník) -800 až -1 000 (nízke nebezpečenstvo)25 Žiadne alebo 400 stupňové uvoľnenie napätia 316 prijateľné
Prítomný dojem (nízka nadmerná ochrana) – 1 050 až 1, 000 15 450316Uprednostňuje sa l, stres sa zmiernil na stupeň
Vložený prúd (štandard) -1 050 až -1,100 10 Žíhanie v plnom roztoku Duplex 2205
Priložený prúd (vysoká nadmerná ochrana) -1 200 až 1 100<5 Full solution anneal required Titanium or Alloy 625
Akákoľvek prerušovaná prevádzka Identifikácia oneskoreného praskania spôsobeného vodíkom 20 450 stupeň uvoľnenia napätia 316 v poli prijateľná s monitorovaním

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) a používa sa v systéme s vloženým prúdom CP pri potenciáloch pod -1 050 mV. Náhradné ohrievače by mali byť špecifikované s úplným rozpúšťacím žíhaním (alebo aspoň zmiernením napätia) a maximálnou tvrdosťou 200 HV.

ZÁVER: OBMEDZENIA PRÁCE V STUDE PRE SLUŽBU KATODICKEJ OCHRANY

Pre zapuzdrené ohrievače z nehrdzavejúcej ocele 316 v katodicky chránených systémoch určuje percento predchádzajúcej práce za studena účinnosť zachytávania vodíka a riziko oneskoreného praskania. Najväčšie riziko je pri 20-30% práci za studena (tvrdosť 270-330 HV), kde je hustota miesta zachytávania dostatočne vysoká na to, aby zadržala vodík, ale nie dostatočne vysoká na to, aby umožnila jeho uvoľnenie jemne rozptýleným spôsobom. Najnižšie nebezpečenstvo je v úplne žíhanom materiáli (<5% cold work) and in substantially cold worked material with post stress release (>30 % úprava za studena + 450 stupeň). Pre 316 plášťov v námorných alebo podzemných systémoch CP musia inžinieri udržať prácu za studena na menej ako 15 % a špecifikovať post{5}}formovanie žíhania na zmiernenie napätia 400 – 450 stupňov . Pre systémy s vloženým prúdom s potenciálom menším ako -1 050 mV sa odporúča úplné žíhanie alebo upgrade na duplex 2205. Tu uvedený rámec stanovuje vzťah medzi percentom práce za studena a hustotou zachytávača vodíka a oneskoreným časom praskania, čo umožňuje zákazníkom špecifikovať 316 plášťov, ktoré sú odolné voči vodíkovému skrehnutiu v situáciách s katodickou ochranou.