Hoe regelt het eerdere koudewerkpercentage van 316 roestvrij stalen verwarmingsmantelbuizen de waterstofvangefficiëntie en het vertraagde scheurrisico in kathodisch beschermde systemen?

De vervorming veroorzaakte de dichtheid van de vallocaties als parameter voor waterstofverbrossing

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%) kunnen grote opvanglocaties de verbrossing verminderen (brede verspreiding van waterstof) of de verbrossing bevorderen (geconcentreerde spanningsvelden). Voor 316 in kathodische beschermingsdiensten ligt het minimale risico op verbrossing echter in het uiterste geval van volledig uitgloeien (<5% cold work) or heavy cold work (>30% met daaropvolgende stressvermindering). Dit artikel kwantificeert het verband tussen de hoeveelheid koudwerk, de efficiëntie van waterstofvangst en het risico op vertraagde scheurvorming.

Mechanismen van waterstofvangst in koud bewerkte austenitische roestvaste staalsoorten

Waterstof kan in roestvrij staal 316 infiltreren vanaf het kathodeoppervlak dat ontstaat door waterreductie (2H2O + 2e− → H2 + 2OH−). De diffusiteit van waterstof in het austenietrooster (FCC) is hoog (~10-10 cm2/sec bij 25 graden) en de oplosbaarheid is laag. Door koud werk ontstaan ​​valplaatsen die waterstof sterker binden: dislocaties (bindingsenergie ~ 30-40 kJ/mol), vacatures (~ 50-60 kJ/mol) en door spanning geïnduceerde martensiet (BCC, met aanzienlijk hogere waterstofoplosbaarheid, ~ 10 4 hoger dan austeniet). Bij lage valdichtheden stroomt waterstof snel door het rooster en laat het metaal vrij van schade. Bij tussenliggende valdichtheden accumuleert waterstof op vallocaties; vooral op tripelpunten en inclusie-matrix-grensvlakken recombineert het om moleculair waterstof te creëren, wat interne druk veroorzaakt en scheuren veroorzaakt. Bij zeer hoge opvangdichtheden zijn de opvanglocaties zo talrijk dat waterstof zeer fijn wordt verspreid en de lokale druk op een enkele opvanglocatie niet voldoende is om scheuren te veroorzaken – als het materiaal niet onder aanzienlijke trekspanning staat.

Gekwantificeerde correlatie tussen koud werk en risico op vertraagde scheurvorming

De tijd tot barsten (vertraagd falen) als functie van eerder koud werk is bepaald door constante belastingstests van 316 buizen (U--buigmonsters) in gesimuleerd zeewater bij 25 C met kathodische bescherming (aangelegde spanning -1.050 mV vs. Ag/AgCl).

Vorig koud werk (% afname) Hardheid (HV) Spanning-Geïnduceerd martensiet (%) Waterstofvangstdichtheid (relatief) Tijd tot vertraagde scheurvorming in CP (uren, 75% vloeispanning) Risicobeoordeling voor vertraagde scheurvorming 0 (gegloeid) 150-180<1 1× (baseline) >10.000 (geen scheuren) Zeer laag 5-10 180-210 1-3 2-3x 5.000-10.000Laag 10-15 210-240 3-6 5-8× 2.000-5.000 Matig 15-20 240-270 6-10 10-15× 500-2.000 Hoog 20-25 270-300 10-15 15-20× 100-500 Ernstig 25-30 300-330 15-20 20-25× 50-200Super ernstig
30-35 330-360 18-22 25-30× 100-500 (plateau) High (but better than 20-25%) >40 >360 >25 >30× 500-2.000 (verzadigd) Gemiddeld
Effect van spanningsarmgloeien op waterstofvangst

Spanningsvrij gloeien bij 400-450 graden gedurende 1-2 uur vermindert de dislocatiedichtheid zonder de korrelstructuur te herkristalliseren of het door spanning geïnduceerde martensiet te verwijderen. Deze behandeling vermindert de efficiëntie van het waterstofvangen met ongeveer 50%, wat de weerstand tegen vertraagd kraken aanzienlijk verbetert.

Koudwerk (%) Na- warmtebehandeling bij het vormen Relatieve dichtheid van de val (zoals- getekend=1.0) Tijd tot vertraagd barsten (uur, 75% opbrengst) Aanbevolen voor CP-service 15 Geen 12× 500-1.000 Nee 15 400 graad, 1 uur 6× 2.000-4.000 Ja
20 Geen 18x 100-500 Nee
20 450 graad , 2 uur 8× 1.500-3.000 Marginaal 25 Geen 22× 50-200 Nee 25 500 graad , 2 uur 10× 1.000-2.000 Nee (nog steeds hoog risico)
25 Full solution anneal (1,040°C) 1× >10.000 Ja (keert terug naar gegloeid)
Kathodale beschermde verwarmingstoestellen, praktische tips

Voor kathodisch beschermde systemen minimaliseren de volgende criteria voor 316 mantelverwarmers de gevoeligheid voor waterstofverbrossing en vertraagde scheurvorming:

Toegepast potentieel (mV versus Ag/AgCl) Type kathodische beschermingMax. Toelaatbaar koud werk (%)Aanbevolen behandeling na het vormenAnder materiaal
Opofferanodes (zink/aluminium) -800 tot -1.000 (laag gevaar)25 Geen of 400 graden spanningsverlichting 316 acceptabel
Onder de indruk aanwezig (lage overbescherming) --1.050 tegen 1,000 15 450316L heeft de voorkeur, stress verlicht op niveau
Ingedrukte stroom (standaard) -1.050 tot -1,100 10 Volledige oplossing uitgloeien Duplex 2205
Onder de indruk gebrachte stroom (hoge overbescherming) --1.200 tot 1.100<5 Full solution anneal required Titanium or Alloy 625
Elke, intermitterende werking Veldidentificatie van door waterstof veroorzaakte vertraagde scheurvorming 20 450 graad spanningsvermindering 316 aanvaardbaar met monitoring

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) en gebruikt in een systeem met opgedrukte stroom CP bij een potentiaal onder -1.050 mV. Vervangingsverwarmers moeten worden gespecificeerd met volledige oplossingsgloeien (of op zijn minst spanningsverlichting) en een maximale hardheid van 200 HV.

CONCLUSIE: KOUDE WERKBEPERKINGEN VOOR KATHODISCHE BESCHERMINGSDIENST

Voor verwarmingstoestellen met roestvrijstalen behuizing 316 in kathodisch beschermde systemen bepaalt het percentage eerder koudwerk de effectiviteit van waterstofvangst en het risico op vertraagde scheurvorming. Het grootste risico ligt bij 20-30% koudwerk (hardheid 270-330 HV), waarbij de dichtheid van de valplaats hoog genoeg is om waterstof vast te houden, maar niet hoog genoeg om de afgifte ervan op een fijn verdeelde manier mogelijk te maken. Het laagste gevaar schuilt in volledig uitgegloeid materiaal (<5% cold work) and in substantially cold worked material with post stress release (>30% koudwerkbehandeling van + 450 graden). Voor de 316 mantels in de maritieme of ondergrondse CP-systemen moeten de ingenieurs het koudewerk op minder dan 15% houden en een na-vormspanningsontlastingsgloeien van 400-450 graden specificeren. Voor systemen met onder druk staande stroom met een potentieel van minder dan -1.050 mV wordt een volledige oplossing uitgloeien of upgraden naar duplex 2205 geadviseerd. Het hier gegeven raamwerk legt een verband vast tussen het percentage koudvervorming en de dichtheid van de waterstofval en de vertraagde kraaktijd, waardoor klanten 316 mantels kunnen specificeren die bestand zijn tegen waterstofbrosheid in kathodisch beschermde situaties.