تحت چه ترکیب خاصی از پتانسیل حفاظت کاتدی کاربردی و غلظت سولفید، غلاف بخاری 316 لیتری در آب دریا در 25 درجه از تردی هیدروژنی به رفتار انعطاف پذیر پس از 10000 ساعت تغییر می کند.

محدودیت آسیب هیدروژن در حفاظت کاتدی دریایی

The risk of hydrogen embrittlement (HE) in 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in seawater with cathodic protection (CP) such as on offshore platforms, marine vessels or coastal structures is a function of the potential (vs. Ag/AgCl) applied to the tubes. At larger negative potentials (more cathodic) hydrogen evolution (2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-) occurs and atomic hydrogen can infiltrate into the 316L sheath producing HE cracking. The presence of sulphides (H2S or HS- ) increases the hydrogen entrance, since sulphide is a toxin for the hydrogen recombination reaction. The ductile-to-HE-dominated transition is established above a critical combination of applied voltage and sulphide content. 316L is still ductile ( no HE ) at potentials exceeding -1000 mV vs . Ag / AgCl in saltwater at 25 C , no sulphides . HE can be seen at -1,050 mV during 5,000-10,000 hours. HE occurs at -1,100 mV within 1,000 hours. In the presence of 10-50 ppm sulphide, the safe potential moves to -900 mV. 316L is prone to HE at >100 ppm سولفید حتی در -800mV. این مقاله آستانه پتانسیل CP (غلظت سولفید) را برای اجتناب از HE پس از 10000 ساعت قرار گرفتن در معرض ارزیابی می کند.

مکانیسم تردی هیدروژن تحت حفاظت کاتدی

حفاظت کاتدی 316L در آب دریا معمولاً توسط آندهای قربانی (روی یا آلومینیوم) یا جریان تحت تأثیر (ICCP) انجام می شود. تکامل هیدروژن در پتانسیل های منفی تر از -800 میلی ولت در مقابل Ag/AgCl آغاز می شود. نرخ ورود هیدروژن به 316L با کاهش پتانسیل افزایش می یابد. گونه های سولفید (H2S، HS- و S2-) روی سطح فلز جذب می شوند و فرآیند نوترکیبی هیدروژن را مسموم می کنند (2H → H2). این باعث افزایش غلظت حالت پایدار هیدروژن اتمی در فلز با فاکتورهای 10 تا 1000 می شود. غلظت آستانه هیدروژن برای HE در 316L حدود 5-10 ppm (وزن) است. بالاتر از این، مواد شکننده می‌شوند و از طریق ترک‌های بین دانه‌ای یا فرادانه‌ای تحت تنش‌های کششی پسماند یا اعمالی از بین می‌روند.

کمی کردن پتانسیل CP-آستانه سولفید برای کاهش HE

آستانه های شروع HE زیر از پلاریزاسیون کاتدی کنترل شده نمونه های خمشی 316L U{{1} (کرنش کششی پیوسته) در آب دریا مصنوعی (pH 8.0، 25 درجه) در غلظت های مختلف سولفید (به عنوان Na2S) به مدت 10،0 ساعت به دست آمده است.

Applied CP Potential (mV vs. Ag/AgCl) Sulphide Concentration (ppm as S 2- )Hydrogen Entry Rate (relative) Time to HE Cracking (hours) Failure Mode Recommended for 10,000h Seawater Service > -800 0 No H evolution >20,000Yes None -800 to -900 0 Trace >20000 هیچ بله
-900 to -1,000 0 Low >15000 هیچ بله
-1000 تا -1،050 0 متوسط ​​8000-15000 مختلط (تعدادی HE) قابل قبول
-1050 تا -1،100 0 بالا 3000-8000 HE توصیه نمی شود (طولانی مدت) < -1،100 0 خیلی زیاد<3,000 HE No > -800 10-50 Low (sulphide limited) >15000 هیچی قابل قبول نیست
-800 تا -850 10-50 متوسط ​​8000-15000 حاشیه مختلط
-850 تا -900 10-50 بالا 4000-8000 HE توصیه نمی شود < -900 10-50خیلی زیاد<4,000 HE No > -750 50-100 Sulphide increased) Moderate 8,000-15,000 Mixed Marginal -750 to -800 50-100 High 3,000-8,000 HE Not recommended < -800 50-100Very high <3,000 HE No 
Any >100 زیاد تا خیلی زیاد<5,000 (≤ -700 mV) HE No (316L not suited)
حساسیت به HE به عنوان تابعی از دما

دمای بالاتر باعث افزایش سرعت انتشار هیدروژن و شکنندگی می شود.

دما ( درجه ) حداکثر پتانسیل CP برای 10000 ساعت HE-سرویس رایگان (mV در مقابل Ag/AgCl، 0 سولفید) حداکثر پتانسیل CP برای 10000 ساعت HE-سرویس رایگان (10 ppm سولفید)
5 -1,050 -900 15 -1,030 -880 25 -1,000 -850 35 -970 -820 50 -920 -780 
توصیه های عملی برای حفاظت کاتدی از فولاد ضد زنگ 316L در آب دریا

برای بخاری های 316 لیتری در آب دریا با حفاظت کاتدی، بسته به غلظت تخمینی سولفید، محدودیت های پتانسیل CP زیر اعمال می شود.

نوع آب دریا میانگین سولفید (ppm) محدوده پتانسیل CP (mV در مقابل Ag/AgCl) حداکثر عمر پتانسیل پیشنهادی 10000 ساعت (mV) مواد جایگزین
تمیز، هوادهی شده<1 -800 to -950 -1,000 316L acceptable Polluted (harbour) 1-10 -800 to -900 -950 316L with monitoring Polluted (high organic) 10-50 -800 to -850 -880 Duplex 2205
آنوکسیک/سولفیدی 50-100 -750 تا -800 -820 دوبلکس 2205 یا آلیاژ 825
Severe sulfidic >100 توصیه نمی شود N/A تیتانیوم یا Inconel 625
شناسایی میدانی HE ناشی از CP

یک بخاری 316 لیتری ناموفق در آب شور تحت حفاظت کاتدی، اغلب ترک‌های HE (از طریق دانه‌ها) با انشعاب کم و اغلب یک سطح شکستگی شکننده صاف را نشان می‌دهد. علت با وجود سولفید (بوی H2S، رسوبات سولفید آهن سیاه) و پتانسیل CP منفی تر از 900- تا 1000- میلی ولت تایید می شود. پاسخ این است که پتانسیل CP (کمتر منفی) را به محدوده ایمن افزایش دهید یا به یک آلیاژ مقاوم تر HE (دوبلکس 2205 یا تیتانیوم) ارتقا دهید.

نتیجه گیری: کنترل پتانسیل CP و سولفیدها برای جلوگیری از HE

For 316L stainless steel heater sheaths in saltwater at 25°C with cathodic protection, the change from ductile to hydrogen embrittlement occurs at applied potentials more negative than -1,000 to -1,050 mV (sulphide free) or -850 to -900 mV (10-50 ppm sulphide). Maximum safe CP potential during 10,000 hour service is -1000 mV (0 sulphide), -850 mV (10-50 ppm sulphide). 316L is not advised for use at >100 پی پی ام سولفید بدون در نظر گرفتن پتانسیل CP. مهندسانی که غلاف های 316L محافظ کاتدی را برای خدمات دریایی مشخص می کنند باید پتانسیل CP را مدیریت کنند تا در پنجره ایمن قرار بگیرند و برای سولفیدها نظارت کنند. مدل توسعه یافته در اینجا پتانسیل CP، غلظت سولفید و زمان شروع HE را در 25 درجه در آب شور به هم مرتبط می کند و مبنایی را برای خریداران فراهم می کند تا نقاط تنظیم CP را تعریف کنند که از شکنندگی هیدروژنی غلاف بخاری 316 لیتری در طول عمر طراحی 10000 ساعته جلوگیری می کند.