כיצד משפיע המיקרו-מבנה (אלפא לעומת אלפא-ביתא) של צינור הטיטניום על העמידות שלו למימן-בפיצוח המושרה במערכת הגנה קתודית?

עבור מהנדס התהליך העוסק בתנור טבילה טיטניום במערכת מוגנת קתודית, כגון מחליף חום מי ים, צינורות קבורים או תאים אלקטרוליטיים, המיקרו-מבנה של צינור הטיטניום ישפיע על הרגישות לפיצוח המושרה במימן (HIC). לטיטניום טהור מסחרית (דרגה 1, 2 או 3) יש מיקרו-מבנה אלפא-פאזי (צפוף משושה). לסגסוגות אלפא-בטא (דרגה 5, Ti-6Al-4V) יש 6-10% פאזה בטא (במרכז-גוף). לפאזה בטא יש מסיסות גבוהה יותר למימן ודיפוזיות נמוכה יותר של מימן מאשר לפאזה אלפא. במערכות הגנה קתודיות שבהן נוצר מימן על משטחי טיטניום, לסגסוגות אלפא-בטא יש עמידות גבוהה בהרבה ל-HIC מכיוון ששלב הבטא הוא מלכודת מימן ומונע הצטברות של ריכוזים קריטיים של מימן בגבולות התבואה. מבחנים כמותיים מצביעים על כך שדרגה 5 (אלפא-ביתא) יכולה לספוג פי 3-5 יותר מימן מדרגה 2 (אלפא) לפני התנפצות באותן נסיבות קתודיות.

בסיס מיקרו מבני של עמידות למימן בסגסוגות טיטניום
פיצוח המושר על ידי מימן- הוא תוצאה של מימן אטומי שמתפזר לתוך סריג הטיטניום ומשקע כטיטניום הידריד שביר (TiHx). היווצרות הידריד גורמת להרחבת נפח (בסביבות 17%) ולמתחים פנימיים המובילים לסדקים. באלפא טיטניום (דרגה 2) הדיפוזיות של מימן חזקה (בסדר גודל של 10 -6 ס"מ 2/s ב-25 מעלות ) ומגבלת המסיסות של מימן לפני משקעים הידרידים נמוכה (בסדר גודל של 150 ppmw). לטיטניום אלפא-דרגה 5 יש מסיסות מימן גבוהה יותר באופן משמעותי (עד 1,000 ppmw) בשלב הבטא, אך דיפוזיה נמוכה יותר (כ-10-8 ס"מ לשנייה ב-25 מעלות). מימן שנספג על פני השטח מתפזר דרך שלב האלפא-עד שהוא פוגש חלקיק שלב בטא. חלקיק הבטא תופס וסופג את המימן כך שהוא נמנע מלהגיע לריכוז קריטי בגבולות גרגרי האלפא.

בדיקות חדירות מימן כמותיות בתנאי טעינה קתודית (-1.0 V SCE ב-3.5% NaCl) מגלות שלטיטניום דרגה 5 נדרשות חשיפה קתודית רציפה של 3,000-5,000 שעות כדי להגיע לריכוז מימן של 500 ppmw, בעוד טיטניום דרגה 2 מגיע ל-150 ppmw-000 היווצרות הידרידית (080 שעות קריטית). זמן הפיצוח ארוך פי 5-8 עבור דרגה 5 מאשר עבור דרגה 2 בתנאי הגנה קתודיים זהים.

השפעות מיקרו-מבנה על מודלים של התנגדות פיצוח מימן
פיזור מימן בדרגת מבנה מיקרו טיטניום (סמ"ר/שניה, 25 מעלות) ריכוז H קריטי לסדיקה (ppmw) עמידות HIC, זמן יחסי עד פיצוח (שעות) ב-1.0 V SCE
כיתה 1 (טהור מסחרי) אלפא 1.2 × 10⁻⁶ 120-150 400-700 1.0× (קו הבסיס)
כיתה 2 (טהור מסחרי) אלפא 1.0×10-6 150–200 500–800 1.2× כיתה 3 (טהור מסחרי) אלפא 0.9×10-6 150–200 600–900 1.4×
דרגה 7 (Ti-0.15Pd) אלפא 1.0x10-6 200-300 800-1,200 1.8×
דרגה 5 (Ti-6Al-4V) אלפא-ביתא (6–10% בטא) 0.5 × 10⁻⁸ (שלב ביתא) 500–1,000 3,000–5,000 6.0× דרגה 9 (Ti-3Al-Beta-2.5V) ×8% אלפא-2.5V) 10⁻⁸ 400–800 2,000–4,000 4.0×
דרגה 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) אלפא 0.8×106 250-350 1,000-1,500 2.2×
מדריך לבחירת מבנה מיקרו להגנה קתודית בהתבסס על תרחישים
מצב וחומרת ההגנה הקתודית דרגת טיטניום מומלצת (מיקרו-מבנה) דרגה 2 נימוק ליבה נגד חיים צפויים (שנים)
הגנה קתודית קלה (פוטנציאל -0.8 V SCE, מי ים, טמפרטורת החדר) דרגה 2 (אלפא) קו בסיס (5-10 שנים) קצב ספיגת מימן נמוך. מספיק אלפא.
הגנה קתודית מתונה (פוטנציאל -1.0 V SCE, מי ים, 50 מעלות) דרגה 7 (אלפא עם Pd) 1.5-2× דרגה 2 פלדיום מקטין את ספיגת המימן על ידי שינוי פוטנציאל פני השטח.
הגנה קתודית חמורה (פוטנציאל -1.2 V SCE, דה-פולריזציה קתודית, 80 מעלות ) דרגה 5 (אלפא-ביתא)4–6× שלב בטא דרגה 2 לוכדת מימן, ומונעת פיצוח. חשוב לאריכות ימים.
הגנה קתודית נוכחית מתרשמת (גוף הספינה, פלטפורמת ימית) דרגה 5 או דרגה 9 5-8x דרגה 2 Alpha-בטא דרושה. בעוד שנה עד שנתיים, כיתה 2 נכשלת לפי HIC.
אנודת הקרבה CP (אנודות אבץ או אלומיניום, פוטנציאל -0.9 עד -1.0 V)2–3× סגסוגת פלדיום דרגה 2 מעניקה הגנה נאותה. דרגה 7 (אלפא) אלפא בטא אין צורך.
הגנה קתודית בסביבת שירות חמוץ (H2S) דרגה 5 (בדיקת HIC) (אלפא-בטא)H2S גורמת לאיסוף מימן. כל השירות החמוץ נדרש רק NACE MR0175 Certified Alpha-Beta Alloys
היבטים הנדסיים של מחממי אלפא-בטא טיטניום
לכיתה ה' (Ti-6Al-4V) יש עמידות טובה יותר בפני פיצוח הנגרם על ידי מימן, אולם יש לו מגבלות רבות ליישומי חימום. לדרגה 5 מוליכות תרמית של כ-6.7 W/m·K בהשוואה ל-7.5 W/m·K עבור דרגה 2, ירידה של 10%, לכן נדרש מעט יותר שטח פנים לאותו הספק. פלדה דרגה 5 יקרה משמעותית (~2-3× דרגה 2) ובעלת משיכות גרועה יותר, מה שמקשה על כיפוף קר. עבור רוב יישומי ההגנה הקתודית, שבהם הפוטנציאל אינו עולה על -1.0 V SCE, דרגה 7 (Ti-0.15Pd) מציעה פשרה חסכונית. הפלדיום משנה את פוטנציאל פני השטח לאזור בו התפתחות המימן מדוכאת, ומפחיתה את הספיגה ללא צורך בפאזה בטא. להגנה קתודית חמורה (פחות מ-1.1 VSCE) או כל שירות חמוץ (H₂S קיים) נדרשות סגסוגות אלפא בטא דרגה 5 או דרגה 9.

מסקנה: אלפא-מיקרו-מבנה בטא מספק עמידות גבוהה יותר של HIC ב-4-6×
מבנה המיקרו של צינור הטיטניום הוא גורם מכריע בעמידותו בפני פיצוח הנגרם על ידי מימן במערכות הגנה קתודיות. לטיטניום-אלפא (דרגה 1, 2, 3) יש דיפוזיות חזקה למימן ומסיסות נמוכה, וכתוצאה מכך לייצור מהיר של הידרידים ושבירה בתכולת מימן מעל 150-200 ppmw. לסגסוגות אלפא-בטא (דרגה 5, Ti-6Al-4V) יש חלקיקי פאזה בטא הלוכדים מימן כך שהוא לא מצטבר בגבולות הגרגרים. הם יכולים לסבול ריכוזי מימן של עד 500-1,000 ppmw מבלי להיסדק. בתנאי הגנה קתודיים חמורים (פוטנציאל מתחת ל-1.0 V SCE, טמפרטורה מופרזת או שירות חמוץ) חיי השירות של דרגה 5 הם פי 4-6 מזה של דרגה 2. כאשר מציינים מחמם טיטניום עבור יישומים הדורשים הגנה קתודית כגון מערכות מי ים, ציוד קבור או תאים אלקטרוליטיים, מספקים לספק לספק את הפוטנציאל הרצוי לקתודי ולנוכחות H₂. מיקרו-מבנה נכון (אלפא לעומת אלפא-ביתא) כדי למנוע כשל פיצוח הנגרם על ידי מימן.