W jaki sposób wcześniejszy procent pracy na zimno rur osłonowych grzejnika ze stali nierdzewnej 316 kontroluje skuteczność wychwytywania wodoru i ryzyko opóźnionego pękania w systemach chronionych katodowo

Gęstość miejsca pułapki wywołanej odkształceniem jako parametr kruchości wodorowej

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%), duże miejsca pułapek mogą zmniejszać kruchość (szeroka dystrybucja wodoru) lub sprzyjać kruchości (skoncentrowane pola naprężeń). Jednakże w przypadku 316 w służbie ochrony katodowej minimalne ryzyko kruchości występuje w skrajnych przypadkach pełnego wyżarzania (<5% cold work) or heavy cold work (>30% z późniejszym uwolnieniem naprężenia). W artykule określono ilościowo związek pomiędzy ilością pracy na zimno, efektywnością wychwytywania wodoru i ryzykiem opóźnionego pękania.

Mechanizmy wychwytywania wodoru w austenitycznych stalach nierdzewnych obrabianych na zimno

Wodór może przenikać do stali nierdzewnej 316 z powierzchni katody powstałej w wyniku redukcji wody (2H2O + 2e− → H2 + 2OH−). Dyfuzyjność wodoru w sieci austenitu (FCC) jest wysoka (~10-10 cm2/s w temperaturze 25 stopni), a rozpuszczalność jest niska. Praca na zimno tworzy miejsca pułapek, które silniej wiążą wodór: dyslokacje (energia wiązania ~ 30-40 kJ/mol), wakaty (~ 50-60 kJ/mol) i martenzyt indukowany odkształceniami (BCC, o znacznie wyższej rozpuszczalności wodoru, ~{13}} wyższej niż austenit). Przy małych gęstościach pułapek wodór szybko przepływa przez siatkę i pozostawia metal bez uszkodzeń. Przy średniej gęstości pułapek wodór gromadzi się w miejscach pułapek; szczególnie w punktach potrójnych i na granicy faz inkluzja-macierz, ulega rekombinacji, tworząc wodór cząsteczkowy, powodując wewnętrzne ciśnienia i inicjując pęknięcia. Przy bardzo dużej gęstości pułapek miejsca pułapek są tak liczne, że wodór jest bardzo drobno rozproszony, a lokalne ciśnienie w żadnym pojedynczym miejscu pułapek nie jest wystarczające, aby spowodować pękanie – jeśli materiał nie jest poddawany znacznym naprężeniom rozciągającym.

Ilościowa korelacja między pracą na zimno a ryzykiem opóźnionego pękania

Czas do pęknięcia (opóźnionego zniszczenia) w zależności od wcześniejszej pracy na zimno został określony poprzez badanie rur 316 316 przy stałym obciążeniu (próbki zginane w kształcie litery U-) w symulowanej wodzie morskiej w temperaturze 25°C z ochroną katodową (przyłożone napięcie -1050 mV w porównaniu z Ag/AgCl).

Poprzednia praca na zimno (% spadek) Twardość (HV) Odkształcenie-Martenzyt indukowany (%) Gęstość wychwytywania wodoru (względna) Czas do opóźnionego pęknięcia w CP (godziny, 75% granicy plastyczności) Stopień ryzyka pękania opóźnionego 0 (wyżarzany) 150-180<1 1× (baseline) >10 000 (bez pęknięć) Bardzo niski 5-10 180-210 1-3 2-3x 5 000-10 000 Niski 10-15 210-240 3-6 5-8× 2 000-5 000 Umiarkowany 15-20 240-270 6-10 10-15× 500-2 000 Wysoki 20-25 270-300 10-15 15-20× 100-500 Ciężki 25-30 300-330 15-20 20-25× 50-200Bardzo poważny
30-35 330-360 18-22 25-30× 100-500 (plateau) High (but better than 20-25%) >40 >360 >25 >30× 500-2000 (nasycony) Średni
Wpływ wyżarzania odprężającego na wychwytywanie wodoru

Wyżarzanie odprężające w temperaturze 400-450 stopni przez 1-2 godziny zmniejsza gęstość dyslokacji bez rekrystalizacji struktury ziaren lub usuwania martenzytu wywołanego odkształceniem. Obróbka ta zmniejsza skuteczność wychwytywania wodoru o około 50%, co znacznie zwiększa odporność na opóźnione pękanie.

Praca na zimno (%) po{{0}formowaniu Obróbka cieplna Względna gęstość pułapki (jak-narysowano= 1.0)Czas do opóźnionego pękania (godz., wydajność 75%)Zalecane dla usługi CP 15 Brak 12× 500-1000 Nie 15 400 stopni, 1 godzina 6× 2000-4000 Tak
20 Brak 18x 100-500 Nr
20 450 stopień, 2 godziny 8× 1500-3000 Marginalny 25 Brak 22× 50-200 Nie 25 500 stopień, 2 godziny 10× 1000-2000 Nie (nadal wysokie ryzyko)
25 Full solution anneal (1,040°C) 1× >10 000 Tak (powraca do wyżarzania)
Grzejniki chronione katodą, praktyczne wskazówki

W przypadku układów chronionych katodowo następujące kryteria dla grzejników płaszczowych 316 minimalizują podatność na kruchość wodorową i opóźnione pękanie:

Zastosowany potencjał (mV w porównaniu do Ag/AgCl) Typ ochrony katodowejMax. Dopuszczalna praca na zimno (%)Zalecana obróbka po formowaniuInny materiał
Anody protektorowe (cynk/aluminium) -800 do -1000 (niskie zagrożenie)25 Dopuszczalne odprężanie bez lub 400 stopni 316
Obecny pod wrażeniem (mała nadmierna ochrona) – 1050 do 1,000 15 450316L preferowany, w pewnym stopniu odciążony
Prąd wyciśnięty (standard) -1050 do -1,100 10 Wyżarzanie z pełnym roztworem Duplex 2205
Prąd pod wrażeniem (wysokie zabezpieczenie) – 1200 do 1100<5 Full solution anneal required Titanium or Alloy 625
Dowolna, przerywana praca Identyfikacja w terenie opóźnionego pękania wywołanego wodorem 20 450 stopnia odprężenia 316 akceptowalna przy monitorowaniu

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) i stosowane w systemie z prądem pod wrażeniem CP przy potencjale poniżej -1050 mV. Grzejniki zamienne należy zamawiać z pełnym wyżarzaniem przesycającym (lub przynajmniej odprężającym) i maksymalną twardością 200 HV.

WNIOSEK: OGRANICZENIA PRACY NA ZIMNO DLA USŁUGI OCHRONY KATODOWEJ

W przypadku grzejników w obudowie ze stali nierdzewnej 316 w systemach chronionych katodowo, procent wcześniejszej pracy na zimno określa skuteczność wychwytywania wodoru i ryzyko opóźnionego pękania. Największe ryzyko występuje przy pracy na zimno 20–30% (twardość 270–330 HV), gdzie gęstość miejsc pułapek jest wystarczająco wysoka, aby zatrzymać wodór, ale nie na tyle wysoka, aby umożliwić jego uwolnienie w drobno rozproszony sposób. Najniższe niebezpieczeństwo występuje w całkowicie wyżarzonym materiale (<5% cold work) and in substantially cold worked material with post stress release (>30% obróbka na zimno + 450 stopnia). W przypadku osłon 316 stosowanych w morskich lub podziemnych systemach CP inżynierowie muszą utrzymać temperaturę pracy na zimno poniżej 15% i określić wyżarzanie odprężające-po formowaniu w temperaturze 400–450 stopni. W przypadku systemów prądu pod wrażeniem o potencjałach mniejszych niż -1050 mV zaleca się wyżarzanie pełnego roztworu lub modernizację do wersji duplex 2205. Podane tutaj ramy ustanawiają związek pomiędzy procentem pracy na zimno i gęstością pułapki wodorowej oraz opóźnionym czasem pękania, umożliwiając klientom określenie powłok 316 odpornych na kruchość wodorową w sytuacjach chronionych katodowo.