چگونه ضخامت دیواره غلاف فولادی ضد زنگ 316 بر خطر شکنندگی هیدروژن در طول خدمات حفاظت الکترولیتی یا کاتدی در کاربردهای دریایی تأثیر می گذارد؟

یک مکانیسم خرابی که اغلب نادیده گرفته می‌شود برای مهندسان دریایی و فراساحلی که از بخاری‌های غوطه‌وری الکتریکی در محیط‌هایی که سیستم‌های حفاظت کاتدی در آن کار می‌کنند، مانند بدنه کشتی، سکوهای دریایی و سازه‌های ورودی آب دریا، شکنندگی هیدروژنی غلاف فولادی ضد زنگ 316 است. دستگاه های حفاظت کاتدی (اعم از آندهای قربانی یا جریان تحت تاثیر) هیدروژن اتمی را در سطح فلز به عنوان محصول فرعی فرآیند حفاظت ایجاد می کنند. این هیدروژن ممکن است به شبکه 316 مهاجرت کند، جایی که در مرزهای دانه‌ها و آخال‌ها جدا می‌شود، شکل‌پذیری را کاهش می‌دهد و باعث شکستگی در تنش کششی می‌شود. ضخامت دیواره غلاف، گرادیان غلظت هیدروژن و زمان رسیدن هیدروژن به سطح داخلی را تعیین می کند. این مقاله پیوندهای کمی بین ضخامت دیواره غلاف 316 و خطر شکنندگی هیدروژن را ارائه می‌کند و راهنمایی برای انتخاب بخاری‌ها برای استفاده در محیط‌های دریایی محافظت‌شده کاتدی ارائه می‌دهد.

مکانیزم نفوذ و شکنندگی هیدروژن در فولاد ضد زنگ 316
هنگامی که یک سیستم حفاظت کاتدی یک سطح فولاد ضد زنگ 316 را به یک پتانسیل منفی نسبت به محیط اطراف قطبی می کند، کاهش آب هیدروژن اتمی ایجاد می کند: H2O + e-→ H + OH-. این هیدروژن اتمی می تواند دوباره به گاز هیدروژن مولکولی تبدیل شود یا روی سطح فلز جذب شود و به شبکه نفوذ کند. سرعت انتشار هیدروژن در فولاد زنگ نزن آستنیتی در مقایسه با فولادهای فریتی نسبتاً کم است (تقریباً 10-14 متر مربع در ثانیه در دمای اتاق)، اما در دمای بالای عملکرد بخاری به اندازه کافی بالا است. در داخل شبکه، اتم‌های هیدروژن به مکان‌هایی با تنش سه‌محوری بالا مانند نوک ترک یک ترک خستگی در حال توسعه یا ناحیه کششی زیر یک گودال تقسیم می‌شوند. هیدروژن در این مکان‌ها استحکام چسبندگی پیوندهای فلزی را کاهش می‌دهد و در فشارهای بسیار پایین‌تر از استحکام تسلیم معمول مواد باعث شکستگی شکننده می‌شود. شکنندگی هیدروژنی فولاد زنگ نزن 316 بین 20 تا 100 درجه با حداکثر حساسیت در حدود 50 تا 80 درجه بارزتر است. هیدروژن بالای 150 درجه به اندازه کافی متحرک است تا از مکان های تله فرار کند و در نتیجه احتمال شکنندگی را کاهش می دهد. برای غلاف های بخاری که در دمای سطح بالا کار می کنند، اگر دمای فلز از حدود 120 درجه فراتر رود، ممکن است خطر خود محدود کننده باشد.

چگونه ضخامت دیوار بر غلظت هیدروژن و خطر تردی تأثیر می گذارد
شار هیدروژن به غلاف به پتانسیل حفاظت کاتدی و متغیرهای محیط بستگی دارد. نیروی محرکه برای شار هیدروژن، غلظت هیدروژن در سطح بیرونی است. برای غلظت سطح هیدروژن معین، غلظت هیدروژن حالت ثابت در سطح داخلی غلاف با افزایش ضخامت دیواره به طور تصاعدی کاهش می یابد. پروفایل غلظت هیدروژن از قانون دوم انتشار فیک پیروی می کند. برای غلاف دیواره نازک - کمتر از 1.0 میلی متر، هیدروژن در عرض چند هفته تا چند ماه در سراسر ضخامت دیواره کامل به سطح داخلی که عایق MgO و سیم مقاومت در آن قرار دارد پخش می شود. تنش های کششی در سطح داخلی وجود دارد، همانطور که از MgO متراکم شده و انبساط حرارتی انجام می شود، و هیدروژن می تواند باعث ایجاد ترک شکنندگی شود. در غلاف دیواره ضخیم- با ضخامت بیش از 1.8 میلی متر، غلظت هیدروژن در سطح داخلی برای سال ها نزدیک به صفر باقی می ماند، زیرا زمان انتشار با مربع ضخامت مقیاس می شود. اگر ضخامت دیواره از 1.0 میلی متر به 2.0 میلی متر افزایش یابد، چهار برابر بیشتر زمان لازم برای رسیدن هیدروژن به سطح داخلی است. داده های تجربی در مورد نفوذ هیدروژن از طریق 316 غشا نشان می دهد که غلظت سطح داخلی به 50٪ از مقدار حالت پایدار در 60 درجه با قطبش کاتدی 1.0- V در مقابل Ag/AgCl پس از حدود 90 روز برای دیواره 1.0 میلی متری می رسد. یک دیوار 1.6 میلی‌متری 230 روز طول می‌کشد. 2.0 میلی‌متر دیوار به 360 روز نیاز دارد. یک دیوار 2.5 میلی متری بیش از 560 روز طول می کشد. دیواره‌های ضخیم‌تر تاخیر زیادی در ورود هیدروژن ایجاد می‌کنند، بنابراین به بخاری اجازه می‌دهند تا برای مدت طولانی قبل از ایجاد شرایط شکنندگی کار کند.

مقاومت در برابر شکنندگی هیدروژن: ضخامت دیواره آستانه
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 درجه)، دیواره‌های نازک‌تر ممکن است قابل قبول باشند، زیرا دمای بالا باعث افزایش انتشار هیدروژن می‌شود، اما حساسیت به تردی را نیز کاهش می‌دهد. جدول زیر دستورالعمل های ضخامت دیوار را برای چندین نوع حفاظت کاتدی، دمای عملیاتی و عمر سرویس پیش بینی شده ارائه می دهد.

نوع حفاظت کاتدی دمای عملیاتی غلاف حداقل ضخامت دیوار توصیه شده 316 حداکثر ضخامت دیوار توصیه شده 316 درجه خطر تردی هیدروژنی پیش بینی شده
آندهای قربانی روی یا آلومینیوم<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
آند فداکاری روی یا آلومینیوم 60 – 100 درجه 1.4 میلی متر 2.0 میلی متر متوسط; ترک خوردگی را بررسی کنید
آند قربانی روی یا آلومینیوم بیش از 100 درجه 1.2 میلی متر 1.8 میلی متر کم با دفع دما
جریان تحت تاثیر (بالا-پتانسیل) زیر 60 درجه 2.0 میلی متر 2.5 میلی متر خطر بالا. ارتقاء آلیاژ توصیه می شود
جریان تحت تاثیر (پتانسیل بالا) 60 – 100 درجه سانتی گراد 1.8 میلی متر 2.5 میلی متر دیواره های ضخیم متوسط
High potential (impressed current) >100 درجه 1.6 میلی متر 2.0 میلی متر متوسط، بازرسی مکرر
حفاظت کاتدی بدون خطر تردی هیدروژنی 0.8 میلی متر هر درجه حرارت 2.5 میلی متر
برای سیستم‌های حفاظت کاتدی جریان تحت تأثیر که در پتانسیل‌های منفی‌تر از -1.0 V در مقابل Ag/AgCl کار می‌کنند، نرخ تولید هیدروژن قابل توجه است. 316 فولاد ضد زنگ معمولاً برای چنین شرایطی، صرف‌نظر از ضخامت دیواره پیشنهاد نمی‌شود. آلیاژهایی با نفوذ هیدروژن کمتر و مقاومت بیشتر در برابر شکنندگی مانند تیتانیوم یا آلیاژ 625 را مشخص کنید. تیتانیوم، به ویژه، دارای دفاع خود محدود شونده است که یک لایه هیدرید تولید می کند که در واقع از ورود هیدروژن بیشتر جلوگیری می کند.

اصلاحات طراحی برای به حداقل رساندن خطر تردی هیدروژن
اگر غلاف 316 باید در یک محیط دریایی محافظت شده کاتدی استفاده شود و محدودیت های حرارتی اجازه نمی دهد ضخامت دیواره بیش از 1.6 میلی متر افزایش یابد، سه تغییر طراحی می تواند خطر شکنندگی هیدروژن را کاهش دهد. اولین مورد این است که سطح خارجی غلاف را با یک لایه مانع پوشش دهید. یک پوشش متراکم و بدون نقص{4}}از اپوکسی، پلی اورتان یا فلوروپلیمر می تواند نفوذ هیدروژن را بین 10 تا 100 محدود کند، به طوری که زمان انتشار افزایش می یابد که گویی دیواره به طور قابل توجهی ضخیم تر است. پوشش باید فاقد سوراخ سوزنی و مقاوم در برابر رسوب زیستی دریایی باشد. تنظیم دوم این است که بخاری را در دمای سطح بیش از 120 درجه، در صورت امکان، کار کنید. در این دماها هیدروژن به سرعت از محل‌های به دام انداختن دفع می‌شود و حساسیت به شکنندگی تا حد زیادی کاهش می‌یابد. بخاری که هر روز به دمای بالا می رسد ممکن است هرگز هیدروژن کافی برای ایجاد ترک تولید نکند. تغییر سوم، عایق الکتریکی بخاری از ساختار محافظت شده کاتدی است. غلاف در برابر پتانسیل حفاظت کاتدی توسط فلنج‌های نصب غیرفلزی یا واشرهای عایق{14} محافظت می‌شود. ممکن است هنوز مقداری هیدروژن از اثرات گالوانیکی ایجاد شود، اما نیروی محرکه آن بسیار کمتر است. مهندسان باید قبل از تعیین غلاف 316 برای هر کاربرد که در آن حفاظت کاتدی جریان تحت تأثیر وجود دارد، با متخصصان خوردگی مشورت کنند. سیستم‌های تحت فشار که در اثر تردی هیدروژنی از کار می‌افتند، ناگهان با ترک‌خوردگی شکننده و کمی تغییر شکل قبلی شکسته می‌شوند. این شکست ها می تواند فاجعه بار باشد. برای کاربردهای مهم، افزایش هزینه آلیاژ{21}مقاوم در برابر هیدروژن هزینه ای است که به خوبی خرج می شود.