Hvordan kontrollerer den tidligere kaldarbeidsprosenten av 316 varmekapperør i rustfritt stål effektiviteten av hydrogenfangst og risikoen for forsinket sprekkdannelse i katodisk beskyttede systemer

Deformasjonen induserte fellestedets tetthet som en parameter for hydrogensprøhet

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 %), kan store felleplasser redusere sprøhet (bred distribusjon av hydrogen) eller fremme sprøhet (konsentrerte stressfelt). For 316 i katodisk beskyttelsestjeneste er imidlertid minimumsrisikoen for sprøhet i ytterpunktene av full utglødning (<5% cold work) or heavy cold work (>30 % med påfølgende stressfrigjøring). Denne artikkelen kvantifiserer sammenhengen mellom mengden kaldt arbeid, effektiviteten av hydrogenfangst og risikoen for forsinket oppsprekking.

Mekanismer for hydrogenfangst i kaldbearbeidet austenittisk rustfritt stål

Hydrogen kan infiltrere inn i 316 rustfritt stål fra katodeoverflaten skapt av vannreduksjon (2H2O + 2e− → H2 + 2OH−). Diffusiviteten til hydrogen i austenittgitteret (FCC) er høy (~10-10 cm2/sek ved 25 grader) og løseligheten er lav. Kaldt arbeid skaper fellesteder som binder hydrogen sterkere: dislokasjoner (bindingsenergi ~ 30-40 kJ/mol), ledige stillinger (~ 50-60 kJ/mol) og belastningsindusert martensitt (BCC, med betydelig høyere hydrogenløselighet, ~ 10 4 høyere enn austenitt). Ved lave felletettheter strømmer hydrogen raskt gjennom gitteret og etterlater metallet fritt for skade. Ved mellomliggende felletettheter akkumuleres hydrogen på felleplasser; spesielt ved trippelpunkter og inklusjon-matrise-grensesnitt, rekombinerer den for å lage molekylært hydrogen som forårsaker indre trykk og initierer sprekker. Ved svært høye felletettheter er fellestedene så mange at hydrogen spres veldig fint og det lokale trykket på et enkelt fellested er ikke tilstrekkelig til å forårsake sprekkdannelse - hvis materialet ikke er under betydelig strekkspenning.

Kvantifisert korrelasjon mellom kaldt arbeid og risiko for forsinket sprekkdannelse

Tiden til sprekkdannelse (forsinket svikt) som funksjon av tidligere kaldt arbeid har blitt bestemt ved konstant belastningstesting av 316 rør (U-bøyeprøver) i simulert sjøvann ved 25 C med katodisk beskyttelse (påført spenning -1050 mV vs. Ag/AgCl).

Tidligere kaldt arbeid (% reduksjon) Hardhet (HV) belastning-Indusert martensitt (%) Hydrogenoppfangingstetthet (relativ) Tid til forsinket sprekkdannelse i CP (timer, 75 % flytespenning) Forsinket sprekkrisikovurdering 0 (glødet) 150-180<1 1× (baseline) >10 000 (ingen sprekker) Svært lav 5-10 180-210 1-3 2-3x 5 000-10 000 Lav 10-15 210-240 3-6 5-8× 2 000-5 000 Moderat 15-20 240-270 6-10 10-15× 500-2 000 Høy ​​20-25 270-300 10-15 15-20× 100-500 Alvorlig {{50-2}× Per alvorlig {{15-2}×
30-35 330-360 18-22 25-30× 100-500 (plateau) High (but better than 20-25%) >40 >360 >25 >30× 500-2000 (mettet) Medium
Effekt av stressavlastende utglødning på hydrogenfangst

Avspenningsgløding ved 400-450 grader i 1-2 timer reduserer dislokasjonstettheten uten å rekrystallisere kornstrukturen eller fjerne den strekkinduserte martensitten. Denne behandlingen reduserer hydrogenfangsteffektiviteten med rundt 50 %, noe som i stor grad øker motstanden mot forsinket sprekkdannelse.

Kaldt arbeid (%) Etter-forming av varmebehandling Relativ felletetthet (som-tegnet=1.0)Tid til forsinket sprekkdannelse (timer, 75 % utbytte)Anbefalt for CP-tjeneste 15 Ingen 12× 500-1000 Nei {{8}0 0,0,0 grader Ja 15 400 0,0 grader
20 Ingen 18x 100-500 Nei
20 450 grad , 2 timer 8× 1 500-3 000 Marginal 25 Ingen 22× 50-200 Nei 25 500 grad , 2 timer 10× 1 000-2 000 Nei (fortsatt høy risiko)
25 Full solution anneal (1,040°C) 1× >10 000 Ja (går tilbake til glødet)
Katodisk beskyttede varmeovner, praktiske tips

For katodisk beskyttede systemer minimerer følgende kriterier for 316 mantelvarmere følsomheten for hydrogensprøhet og forsinket sprekkdannelse:

Påført potensial (mV versus Ag/AgCl) Katodisk beskyttelsestype Maks. Tillatt kaldt arbeid (%) Anbefalt behandling etter dannelse av annet materiale
Offeranoder (sink/aluminium) -800 til -1000 (lav fare)25 Ingen eller 400 graders spenningsavlastning 316 akseptabel
Imponert tilstedeværelse (lav overbeskyttelse) --1 050 til 1,000 15 450316L foretrukket, stress lettet i grad
Imponert strøm (standard) -1050 til -1,100 10 Full løsning anneal Duplex 2205
Imponert strøm (høy overbeskyttelse) --1200 til 1100<5 Full solution anneal required Titanium or Alloy 625
Enhver, intermitterende operasjon Feltidentifikasjon av hydrogenindusert forsinket sprekkdannelse 20 450 graders spenningsavlastning 316 akseptabel med overvåking

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) og brukes i et system med påtrykt strøm CP ved potensialer under -1050 mV. Erstatningsvarmere bør spesifiseres med full løsningsgløding (eller i det minste spenningsreduksjon) og maksimal hardhet på 200 HV.

KONKLUSJON: BEGRENSNINGER FOR KALDT ARBEID FOR KATODISK BESKYTTELSESTJENESTE

For 316 rustfritt stål innkapslede varmeovner i katodisk beskyttede systemer, bestemmer prosentandelen av tidligere kaldt arbeid effektiviteten av hydrogenfangst og risikoen for forsinket sprekkdannelse. Den største risikoen er ved 20-30 % kaldt arbeid (hardhet 270-330 HV) hvor tettheten på fellestedet er høy nok til å holde hydrogen, men ikke høy nok til å tillate frigjøring på en finfordelt måte. Den laveste faren er i fullstendig glødet materiale (<5% cold work) and in substantially cold worked material with post stress release (>30 % kaldt arbeid + 450 graders behandling). For de 316 kappene i de marine eller underjordiske CP-systemene, må ingeniørene holde kaldarbeidet på mindre enn 15 % og spesifisere en postdannende spenningsavlastning på 400–450 grader. For imponerte strømsystemer med potensialer mindre enn -1050 mV, anbefales full løsningsgløding eller oppgradering til dupleks 2205. Rammeverket gitt her etablerer et forhold mellom prosentandelen av kaldt arbeid og hydrogenfelletetthet og forsinket sprekktid, noe som gjør det mulig for kunder å spesifisere 316 kapper som er motstandsdyktige mot hydrogensprøhet i katodisk beskyttede situasjoner.