Under hvilken spesifikk kombinasjon av anvendt katodisk beskyttelsespotensial og sulfidkonsentrasjon gjør 316L varmekappe i sjøvann ved 25 grader overgang fra hydrogensprøhet til duktil oppførsel etter 10 000 timer

Grensen for hydrogenskaden i marin katodisk beskyttelse

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 sulfid selv ved -800mV. Denne artikkelen vurderer terskelen for CP-potensial (sulfidkonsentrasjon) for HE-unngåelse etter 10 000 timers eksponering.

Mekanisme for hydrogensprøhet under katodisk beskyttelse

Katodisk beskyttelse av 316L i sjøvann utføres vanligvis av offeranoder (sink eller aluminium) eller imponert strøm (ICCP). Hydrogenutviklingen begynner ved potensialer som er mer negative enn -800 mV vs. Ag/AgCl. Hydrogeninngangshastigheten til 316L øker med den potensielle reduksjonen. Sulfidartene (H2S, HS− og S2−) adsorberes på metalloverflaten og forgifter hydrogenrekombinasjonsprosessen (2H → H2). Dette øker den atomære hydrogen-steady-state-konsentrasjonen i metallet med faktorer på 10 til 1000. Terskelhydrogenkonsentrasjonen for HE i 316L er ca. 5-10 ppm (vekt). Over dette blir materialet sprøtt og svikter via intergranulær eller transgranulær sprekkdannelse under gjenværende eller påførte strekkspenninger.

Kvantifisere CP-potensial-sulfidterskler for HE-reduksjon

Følgende HE-initieringsterskler er oppnådd fra kontrollert katodisk polarisering av 316L U-bøyeprøver (kontinuerlig strekkpåkjenning) i syntetisk sjøvann (pH 8,0, 25 grader) ved forskjellige sulfidkonsentrasjoner (som Na2S) i 10 000 timer.

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 Ingen Ja
-900 to -1,000 0 Low >15 000 Ingen Ja
-1 000 til -1,050 0 Moderat 8 000-15 000 blandet (noen HE) akseptabelt
-1050 til -1,100 0 Høy 3.000-8.000 HE Anbefales ikke (langsiktig) < -1,100 0 Veldig høy<3,000 HE No > -800 10-50 Low (sulphide limited) >15 000 Ingen akseptabelt
-800 til -850 10-50 Moderat 8 000-15 000 blandet marginal
-850 til -900 10-50 Høy 4 000-8 000 HE Anbefales ikke < -900 10-50Svært høy<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 Høy ​​til veldig høy<5,000 (≤ -700 mV) HE No (316L not suited)
Mottakelighet for HE som en funksjon av temperatur

Høyere temperaturer øker graden av hydrogendiffusjon og sprøhet.

Temperatur ( grad ) Maksimalt CP-potensial for 10 000 t HE-Gratis tjeneste (mV vs. Ag/AgCl, 0 sulfid) Maksimalt CP-potensial for 10 000 t HE-Gratis tjeneste (10 ppm sulfid)
5 -1,050 -900 15 -1,030 -880 25 -1,000 -850 35 -970 -820 50 -920 -780 
Praktiske anbefalinger for katodisk beskyttelse av 316L rustfritt stål i sjøvann

For 316L innkapslede varmeovner i sjøvann med katodisk beskyttelse, gjelder følgende CP-potensialbegrensninger avhengig av estimert sulfidkonsentrasjon.

Sjøvannstype Gjennomsnittlig sulfid (ppm) CP-potensialområde (mV vs. Ag/AgCl) Foreslått Maksimal potensiell levetid 10 000 timer (mV) Alternativt materiale
Ren, luftet<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
Anoksisk/sulfidisk 50-100 -750 til -800 -820 Duplex 2205 eller legering 825
Severe sulfidic >100 Ikke anbefalt N/A Titanium eller Inconel 625
Feltidentifikasjon av CP-indusert HE

En mislykket 316L varmeovn i saltvann under katodisk beskyttelse viser ofte transgranulære (gjennom korn) HE-sprekker med lite forgrening og ofte en flat sprø bruddoverflate. Årsaken bekreftes av tilstedeværelsen av sulfid (lukt av H2S, svarte jernsulfidavleiringer) og et CP-potensial mer negativt enn -900 til -1000 mV. Svaret er å øke CP-potensialet (mindre negativt) til det sikre området, eller oppgradere til en mer HE-bestandig legering (dupleks 2205 eller titan).

Konklusjon: Kontroll av CP-potensial og sulfider for å forhindre 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 sulfid uavhengig av CP-potensial. Ingeniører som spesifiserer katodisk skjermede 316L-kapper for maritim tjeneste, må håndtere CP-potensialet for å være innenfor det sikre vinduet og overvåke for sulfider. Modellen som er utviklet her kobler CP-potensialet, sulfidkonsentrasjonen og HE-initieringstid ved 25 grader i saltvann og gir et grunnlag for kjøpere å definere CP-settpunktene som vil unngå hydrogensprøhet av 316L varmekapper gjennom 10 000 timers designlevetid.