Cum controlează procentul de lucru anterior la rece al tubului de înveliș al încălzitorului din oțel inoxidabil 316 eficiența captării hidrogenului și riscul de fisurare întârziată în sistemele protejate catodic

Deformarea a indus densitatea locului de captare ca parametru al fragilizării hidrogenului

For cathodically protected systems like marine immersed heaters, offshore platform equipment or buried pipeline heaters with impressed current cathodic protection, the prior cold work percentage of the sheath tubing directly controls the risk of hydrogen embrittlement and delayed cracking for 316 stainless steel sheathed electric heating tubes. Dislocations, voids and strain-induced martensite are the hydrogen trap sites produced by cold work. At low cold work percentages ( 0-10% ) trap site density is low , hydrogen diffuses fast through the lattice and the risk of cracking is limited . Trap site density is moderate at intermediate cold work (15-25%) and hydrogen is dispersed within the microstructure with increased embrittlement susceptibility. At high cold work (>30%), locurile mari de capcană pot reduce fragilizarea (distribuția largă a hidrogenului) sau pot promova fragilizarea (câmpuri de stres concentrate). Cu toate acestea, pentru 316 în serviciul de protecție catodică, riscul minim de fragilizare este la extremele recoacerii complete (<5% cold work) or heavy cold work (>30% cu eliberare ulterioară a tensiunii). Acest articol cuantifică legătura dintre cantitatea de lucru la rece, eficiența captării hidrogenului și riscul de fisurare întârziată.

Mecanisme de captare a hidrogenului în oțelurile inoxidabile austenitice prelucrate la rece

Hidrogenul se poate infiltra în oțelul inoxidabil 316 de la suprafața catodului creat prin reducerea apei (2H2O + 2e− → H2 + 2OH−). Difuzitatea hidrogenului în rețeaua de austenită (FCC) este mare (~10-10cm2/sec la 25 de grade) și solubilitatea este scăzută. Lucrările la rece creează locuri capcane care leagă hidrogenul mai puternic: dislocații (energia de legare ~ 30-40 kJ/mol), locuri libere (~ 50-60 kJ/mol) și martensita indusă de deformare (BCC, cu solubilitate semnificativ mai mare în hidrogen, ~ 10 4 mai mare decât austenita). La densități scăzute de capcană, hidrogenul curge rapid prin rețea și lasă metalul liber de rău. La densități intermediare ale capcanelor, hidrogenul se acumulează în locurile capcanelor; în special la punctele triple și la interfețele incluziune-matrice, se recombină pentru a crea hidrogen molecular care provoacă presiuni interne și inițiază fisuri. La densități foarte mari de capcană, locurile de captare sunt atât de numeroase încât hidrogenul este dispersat foarte fin și presiunea locală la orice loc de captare nu este suficientă pentru a provoca fisurarea - dacă materialul nu este supus unor solicitări de tracțiune semnificative.

Corelație cuantificată între munca la rece și riscul de fisurare întârziată

Timpul până la fisurare (defecțiune întârziată) în funcție de lucrul la rece anterioare a fost determinat prin testarea la sarcină constantă a tubului 316 (epruvete de îndoire U-) în apă de mare simulată la 25 C cu protecție catodică (tensiune aplicată -1.050 mV față de Ag/AgCl).

Lucrare anterioară la rece (scădere în procente) Duritate (HV) Deformare-Martensită indusă (%) Densitate de captare a hidrogenului (relativă) Timp până la fisurarea întârziată în CP (ore, 75% efort de curgere) Evaluarea riscului de fisurare întârziată 0 (recoace) 150-180<1 1× (baseline) >10.000 (fără crăpare) Foarte scăzut 5-10 180-210 1-3 2-3x 5.000-10.000Scăzut 10-15 210-240 3-6 5-8× 2.000-5.000 Moderat 15-20 240-270 6-10 10-15× 500-2.000 Ridicat 20-25 270-300 10-15 15-20× 100-500 Sever {{15}-}0×Super grav
30-35 330-360 18-22 25-30× 100-500 (plateau) High (but better than 20-25%) >40 >360 >25 >30× 500-2.000 (saturat) Mediu
Efectul recoacerii pentru eliberarea stresului asupra captării hidrogenului

Recoacere de reducere a tensiunii la 400-450 de grade timp de 1-2 ore scade densitatea de dislocare fără a recristaliza structura cerealelor sau a îndepărta martensitei induse de deformare. Acest tratament reduce eficiența captării hidrogenului cu aproximativ 50%, ceea ce sporește foarte mult rezistența la fisurare întârziată.

Lucru la rece (%) După-formare Tratament termic Densitatea relativă a capcanei (după cum-desenat=1.0) Timp până la fisurare întârziată (ore, randament 75%) Recomandat pentru service CP 15 Niciunul 12× 500-1.000 Nu 15 400 grade 6×, 0, 0, 0, 0, 0 oră
20 Niciuna 18x 100-500 Nr
20 450 grad , 2 ore 8× 1.500-3.000 Marginal 25 Niciunul 22× 50-200 Nu 25 500 grad , 2 ore 10× 1.000-2.000 Nu (risc încă ridicat)
25 Full solution anneal (1,040°C) 1× >10.000 Da (revine la coacere)
Încălzitoare protejate catodal, sfaturi practice

Pentru sistemele protejate catodic, următoarele criterii pentru încălzitoarele cu manta 316 minimizează susceptibilitatea la fragilizarea hidrogenului și fisurarea întârziată:

Potenţial aplicat (mV versus Ag/AgCl) Tip de protecţie catodicăMax. Lucru permis la rece (%) Tratament recomandat după formareAlt material
Anozi de sacrificiu (zinc/aluminiu) -800 până la -1.000 (pericol scăzut)25 Nu sau 400 de grade de reducere a tensiunii 316 acceptabil
Prezent impresionat (supraprotecție scăzută) --1.050 până la 1,000 15 450316L de preferat, stres eliberat la un anumit grad
Curent imprimat (standard) -1.050 până la -1,100 10 Recoacere cu soluție completă Duplex 2205
Curent impresionat (supraprotecție ridicată) --1.200 până la 1.100<5 Full solution anneal required Titanium or Alloy 625
Orice operațiune intermitentă Identificarea pe teren a fisurilor întârziate induse de hidrogen 20 450 grad de reducere a tensiunii 316 acceptabilă cu monitorizare

In a cathodic protected system with no significant corrosion (no pitting, no scale) if a 316 heater fails then hydrogen embrittlement should be suspected. The cracks are generally transgranular, non-branching, surface initiated. The fracture surface can display quasi-cleavage features with little dimples. Hydrogen embrittlement is the likely cause if the heater was made from cold drawn tubing (hardness >250 HV) și utilizat într-un sistem cu curent imprimat CP la potențiale sub -1.050 mV. Încălzitoarele de înlocuire ar trebui să fie specificate cu soluție completă de recoacere (sau cel puțin reducerea tensiunilor) și duritate maximă de 200 HV.

CONCLUZIE: LIMITAREA LUCRĂRII LA RECE PENTRU SERVICIUL DE PROTECȚIE CATODICĂ

Pentru încălzitoarele cu carcasă din oțel inoxidabil 316 în sisteme protejate catodic, procentul de lucru anterior la rece determină eficacitatea captării hidrogenului și riscul de fisurare întârziată. Cel mai mare risc este la lucru la rece de 20-30% (duritate 270-330 HV) unde densitatea locului capcanei este suficient de mare pentru a reține hidrogen, dar nu suficient de mare pentru a permite eliberarea acestuia într-un mod fin distribuit. Cel mai mic pericol este în materialul complet recoapt (<5% cold work) and in substantially cold worked material with post stress release (>30% lucru la rece + 450 grad de tratament). Pentru cele 316 învelișuri din sistemele CP marine sau subterane, inginerii trebuie să mențină lucrul la rece la mai puțin de 15% și să specifice o recoacere post-formatoare de reducere a tensiunilor de 400-450 de grade . Pentru sistemele cu curent impresionat cu potențiale mai mici de -1.050 mV, se recomandă recoacere cu soluție completă sau modernizarea la duplex 2205. Cadrul prezentat aici stabilește o relație între procentul de lucru la rece și densitatea capcanei de hidrogen și timpul de fisurare întârziat, permițând clienților să specifice 316 teci care sunt rezistente la fragilizarea hidrogenului în situații protejate catodic.