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؟

برای مهندسان دریایی و فراساحلی که بخاری‌های غوطه‌وری الکتریکی را در محیط‌هایی که سیستم‌های حفاظت کاتدی فعال هستند، استفاده می‌کنند-مانند بدنه کشتی، سکوهای دریایی، و سازه‌های ورودی آب دریا-یک مکانیسم شکست اغلب نادیده گرفته می‌شود، شکنندگی هیدروژنی غلاف فولادی ضد زنگ 316 است. سیستم های حفاظت کاتدی، چه آند قربانی یا جریان تحت تاثیر، هیدروژن اتمی را در سطح فلز به عنوان محصول جانبی واکنش حفاظتی تولید می کنند. این هیدروژن می‌تواند در شبکه 316 پخش شود، در مرزهای دانه‌ها و اجزاء تجمع می‌یابد، جایی که شکل‌پذیری را کاهش می‌دهد و باعث ایجاد ترک تحت تنش کششی می‌شود. ضخامت دیواره غلاف هم گرادیان غلظت هیدروژن و هم زمان لازم برای نفوذ هیدروژن به سطح داخلی را تعیین می کند. این مقاله رابطه بین ضخامت دیواره غلاف 316 و خطر شکنندگی هیدروژن را کمی‌سازی می‌کند و دستورالعمل‌های انتخابی را برای بخاری‌هایی که در محیط‌های دریایی محافظت‌شده کاتدی کار می‌کنند ارائه می‌کند.

مکانیسم ورود هیدروژن و شکنندگی در فولاد زنگ نزن 316

هنگامی که یک سیستم حفاظت کاتدی یک سطح فولاد ضد زنگ 316 را به یک پتانسیل منفی نسبت به محیط قطبی می کند، کاهش آب هیدروژن اتمی تولید می کند: H2O + e-→ H + OH-. این هیدروژن اتمی می تواند برای تشکیل گاز هیدروژن مولکولی دوباره ترکیب شود یا بر روی سطح فلز جذب شود و در شبکه پخش شود. سرعت انتشار هیدروژن در فولاد زنگ نزن آستنیتی در مقایسه با فولادهای فریتی نسبتاً آهسته است-تقریباً 10-12 تا 10-14 m²/s در دمای اتاق- اما در دماهای بالا معمولی عملکرد بخاری قابل توجه است. اتم های هیدروژن پس از داخل شبکه، به مناطقی با تنش سه محوری بالا، مانند نوک ترک یک ترک خستگی در حال رشد یا ناحیه کششی زیر یک گودال، جدا می شوند. در این مکان‌ها، هیدروژن استحکام چسبندگی پیوندهای فلزی را کاهش می‌دهد و باعث شکستگی شکننده در تنش‌های بسیار پایین‌تر از استحکام تسلیم معمولی مواد می‌شود. برای فولاد زنگ نزن 316، شکنندگی هیدروژن در دماهای بین 20 تا 100 درجه شدیدتر است، با حداکثر حساسیت حدود 50 تا 80 درجه. در دماهای بالاتر از 150 درجه، هیدروژن به اندازه کافی متحرک می شود تا از مکان های به دام افتاده فرار کند و خطر شکنندگی را کاهش 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 شود.

چگونه ضخامت دیوار غلظت هیدروژن و خطر شکنندگی را تغییر می دهد

شار هیدروژن به داخل غلاف توسط غلظت هیدروژن در سطح بیرونی هدایت می شود که توسط پتانسیل حفاظت کاتدی و شرایط محیطی تعیین می شود. 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 زیر 1.0 میلی‌متر، هیدروژن می‌تواند طی هفته‌ها تا چند ماه در کل ضخامت دیواره پخش شود و به سطح داخلی که عایق MgO و سیم مقاومت در آن قرار دارد برسد. در سطح داخلی، هیدروژن می‌تواند باعث ترک خوردگی شکنندگی شود، اگر تنش‌های کششی وجود داشته باشد-، زیرا از MgO متراکم شده و انبساط حرارتی ناشی می‌شود. برای غلاف دیواره ضخیم-بالای 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. دوبرابر کردن ضخامت دیواره از 1.0 میلی متر به 2.0 میلی متر، زمان لازم برای رسیدن هیدروژن به سطح داخلی را چهار برابر می کند. اندازه‌گیری‌های آزمایشی نفوذ هیدروژن روی 316 غشا نشان می‌دهد که در 60 درجه با قطبش کاتدی در -1.0 V در مقابل Ag/AgCl، یک دیوار 1.0 میلی‌متری پس از تقریباً 90 روز به 50 درصد غلظت سطح داخلی حالت پایدار می‌رسد. یک دیوار 1.6 میلی متری به 230 روز نیاز دارد. یک دیوار 2.0 میلی متری به 360 روز نیاز دارد. یک دیوار 2.5 میلی متری به بیش از 560 روز نیاز دارد. دیواره‌های ضخیم‌تر تاخیر قابل‌توجهی در رسیدن هیدروژن ایجاد می‌کنند و به بخاری اجازه می‌دهند تا برای مدت طولانی قبل از ایجاد شرایط شکنندگی کار کند.

ضخامت دیواره آستانه برای مقاومت در برابر شکنندگی هیدروژن

بر اساس محاسبات انتشار و تجربیات میدانی از سازه‌های دریایی محافظت‌شده کاتدی، حداقل ضخامت دیواره غلاف 1.6 میلی‌متر برای بخاری‌هایی که در محیط‌هایی که حفاظت کاتدی فعال است، توصیه می‌شود. زیر 1.6 میلی متر، هیدروژن در دمای معمولی دریایی ظرف یک سال به سطح داخلی می رسد و خطر ترک خوردگی شکنندگی در دیواره داخلی را ایجاد می کند که در آن تنش های پسماند کششی ناشی از تاب خوردن وجود دارد. بیش از 2.0 میلی متر، تاخیر انتشار بیش از دو سال است که حاشیه ایمنی قابل توجهی را فراهم می کند. با این حال، جریمه حرارتی دیوارهای ضخیم-دمای سطح بالاتر و کاهش انتقال حرارت-باید در نظر گرفته شود. برای کاربردهایی که حفاظت کاتدی وجود دارد اما بخاری به طور متناوب یا در دمای سطح بالا بالای 120 درجه کار می کند، دیواره های نازک تر ممکن است قابل قبول باشد زیرا دمای بالا باعث افزایش انتشار هیدروژن می شود اما حساسیت تردی را نیز کاهش می دهد. جدول زیر توصیه های ضخامت دیوار را بر اساس نوع حفاظت کاتدی، دمای عملیاتی و عمر مورد انتظار ارائه می دهد.

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. در چنین محیط هایی، فولاد ضد زنگ 316 به طور کلی صرف نظر از ضخامت دیوار توصیه نمی شود. آلیاژهایی با نفوذ هیدروژن کمتر و مقاومت بالاتر در برابر شکنندگی، مانند آلیاژ 625 یا تیتانیوم، باید مشخص شوند. تیتانیوم، به ویژه، یک لایه هیدرید را تشکیل می دهد که در واقع مانع از ورود بیشتر هیدروژن می شود و محافظت خود محدود شونده را فراهم می کند.

اصلاحات طراحی برای کاهش خطر تردی هیدروژن

هنگامی که یک غلاف 316 باید در یک محیط دریایی محافظت شده کاتدی استفاده شود و ضخامت دیوار به دلیل محدودیت های حرارتی نمی تواند بیش از 1.6 میلی متر افزایش یابد، سه اصلاح طراحی می تواند خطر شکنندگی هیدروژن را کاهش دهد. اولین مورد اعمال یک پوشش مانع بر روی سطح بیرونی غلاف است. یک پوشش متراکم و بدون نقص{4}}از اپوکسی، پلی اورتان یا فلوئوروپلیمر می تواند ورود هیدروژن را بین 10 تا 100 کاهش دهد و به طور موثری زمان انتشار را افزایش دهد، گویی دیواره بسیار ضخیم تر است. پوشش باید بدون سوراخ-و در برابر رسوب زیستی دریایی مقاوم باشد. تغییر دوم این است که هر زمان که ممکن است بخاری را در دمای سطح بالای 120 درجه کار کنید. در این دماها، هیدروژن به سرعت از محل‌های تله‌گیری دفع می‌شود و حساسیت به شکنندگی به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد. بخاری که روزانه به دمای بالا می رود ممکن است هرگز هیدروژن کافی برای ایجاد ترک در خود جمع نکند. سومین اصلاح، جداسازی الکتریکی بخاری از ساختار محافظت شده کاتدی است. استفاده از فلنج‌های نصب غیرفلزی یا واشرهای عایق{15}از اعمال پتانسیل حفاظت کاتدی روی غلاف جلوگیری می‌کند. بخاری ممکن است هنوز مقداری تولید هیدروژن از اثرات گالوانیکی را تجربه کند، 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. عواقب شکست تردی هیدروژنی{20}}ترک شکننده ناگهانی با حداقل تغییر شکل قبلی-می‌تواند در سیستم‌های تحت فشار فاجعه‌بار باشد. برای کاربردهای حیاتی، هزینه اضافی یک آلیاژ مقاوم{23}هیدروژن یک سرمایه گذاری محتاطانه است.