תחת איזה שילוב ספציפי של פוטנציאל הגנה קתודי יישומי וריכוז גופרתי עושה נדן מחמם 316L במי ים ב-25 מעלות מעבר משיבושים מימן להתנהגות רקיעית לאחר 10,000 שעות

מגבלת נזקי המימן בהגנה קתודית ימית

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 גופרתי אפילו ב-800mV. מאמר זה מעריך את הסף של פוטנציאל CP (ריכוז גופרית) להימנעות מ-HE לאחר 10,000 שעות של חשיפה.

מנגנון של שבירת מימן תחת הגנה קתודית

הגנה קתודית של 316L במי ים מתבצעת בדרך כלל על ידי אנודות קורבנות (אבץ או אלומיניום) או זרם מושפע (ICCP). התפתחות המימן מתחילה בפוטנציאלים שליליים יותר מ--800 mV לעומת Ag/AgCl. קצב כניסת המימן ל-316L עולה עם הירידה בפוטנציאל. מיני הגופרית (H2S, HS- ו-S2-) נספגים על פני המתכת ומרעילים את תהליך ריקומבינציית המימן (2H → H2). זה מגביר את ריכוז המימן האטומי במתכת בגורמים של 10 עד 1,000. ריכוז המימן הסף עבור HE ב-316L הוא כ-5-10 ppm (משקל). מעל זה החומר הופך שביר ונכשל באמצעות פיצוח בין-גרגירי או טרנסגרעיני תחת מתחי מתיחה שיוריים או מיושמים.

כימות פוטנציאל CP-ספי סולפיד להפחתת HE

ספי התחלת HE הבאים התקבלו מקיטוב קתודי מבוקר של דגימות 316L U-בנד (מתח מתמשך) במי ים סינתטיים (pH 8.0, 25 מעלות ) בריכוזי גופרית שונים (כמו Na2S) למשך 10,000 שעות.

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 >20,000 אין כן
-900 to -1,000 0 Low >15,000 אין כן
-1,000 עד -1,050 0 בינוני 8,000-15,000 מעורב (כמה HE) מקובל
-1,050 עד -1,100 0 גבוה 3,000-8,000 HE לא מומלץ (לטווח ארוך) < -1,100 0 גבוה מאוד<3,000 HE No > -800 10-50 Low (sulphide limited) >15,000 אין מקובל
-800 עד -850 10-50 בינוני 8,000-15,000 שוליים מעורבים
-850 עד -900 10-50 גבוה 4,000-8,000 HE לא מומלץ < -900 10-50גבוה מאוד<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 גבוה עד גבוה מאוד<5,000 (≤ -700 mV) HE No (316L not suited)
רגישות ל-HE כפונקציה של טמפרטורה

טמפרטורות גבוהות יותר מגבירות את קצב דיפוזיית המימן והשבירה.

טמפרטורה (מעלה) פוטנציאל CP מקסימלי עבור 10,000 שעות HE-שירות חינם (mV לעומת Ag/AgCl, 0 סולפיד) פוטנציאל CP מקסימלי עבור 10,000 שעות HE-שירות חינם (10 ppm גופרתי)
5 -1,050 -900 15 -1,030 -880 25 -1,000 -850 35 -970 -820 50 -920 -780 
המלצות מעשיות להגנה קתודית של נירוסטה 316L במי ים

עבור תנורי חימום עטופים במי ים עם הגנה קתודית, מגבלות פוטנציאל ה-CP הבאות חלות בהתאם לריכוז הגופרית המשוער.

סוג מי ים ממוצע גופרתי (ppm) טווח פוטנציאל CP (mV לעומת Ag/AgCl) מוצע חיים פוטנציאליים מקסימליים 10,000h (mV)חומר חלופי
נקי, מאוורר<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
אנוקסית/סולפידית 50-100 -750 עד -800 -820 דופלקס 2205 או סגסוגת 825
Severe sulfidic >100 לא מומלץ לא רלוונטי טיטניום או Inconel 625
זיהוי שדה של CP Induced HE

מחמם כושל של 316L במים מלוחים תחת הגנה קתודית מראה לעתים קרובות סדקי HE טרנס-גרנוליים (דרך גרגרים) עם מעט הסתעפות ולעיתים קרובות משטח שבר שביר שטוח. הסיבה מאושרת על ידי נוכחות של גופרית (ריח של H2S, משקעי גופרית ברזל שחור) ופוטנציאל CP שלילי יותר מ-900 עד -1,000 mV. התשובה היא להגדיל את פוטנציאל ה-CP (פחות שלילי) לטווח הבטוח, או לשדרג לסגסוגת עמידה יותר HE (דופלקס 2205, או טיטניום).

מסקנה: בקרת פוטנציאל CP וסולפידים למניעת 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 ppm גופרתי ללא קשר לפוטנציאל CP. מהנדסים המציינים עטיפות 316L עם הגנה קתודית לשירות ימי חייבים לנהל את פוטנציאל ה-CP כדי להיות בתוך החלון הבטוח ולפקח אחר סולפידים. המודל שפותח כאן מקשר בין פוטנציאל ה-CP, ריכוז הגופרית וזמן התחלת ה-HE ב-25 מעלות במים מלוחים ומספק בסיס לקונים להגדיר את נקודות ההגדרה של ה-CP שימנעו התפרקות מימן של מעטפות מחמם 316L לאורך 10,000 שעות חיי עיצוב.