Di bawah Gabungan Khusus Potensi Perlindungan Katodik Gunaan dan Kepekatan Sulfida Adakah Sarung Pemanas 316L dalam Air Laut pada 25 darjah Peralihan daripada Kerosakan Hidrogen kepada Kelakuan Mulur Selepas 10,000 Jam

Had Kerosakan Hidrogen dalam Perlindungan Katodik Marin

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 sulfida walaupun pada -800mV. Artikel ini menilai ambang potensi CP (kepekatan sulfida) untuk mengelakkan HE selepas 10,000 jam pendedahan.

Mekanisme Kerosakan Hidrogen di bawah Perlindungan Katodik

Perlindungan katodik 316L dalam air laut biasanya dilakukan oleh anod korban (zink atau aluminium) atau arus terampai (ICCP). Evolusi hidrogen bermula pada potensi lebih negatif daripada -800 mV lwn. Ag/AgCl. Kadar kemasukan hidrogen ke dalam 316L meningkat dengan potensi penurunan. Spesies sulfida (H2S, HS−, dan S2−) diserap pada permukaan logam dan meracuni proses penggabungan semula hidrogen (2H → H2). Ini meningkatkan kepekatan keadaan mantap atom hidrogen dalam logam dengan faktor 10 hingga 1,000. Kepekatan hidrogen ambang untuk HE dalam 316L adalah kira-kira 5-10 ppm (berat). Di atas ini bahan menjadi rapuh dan gagal melalui rekahan antara butiran atau transgranular di bawah tegasan tegangan sisa atau dikenakan.

Mengira Potensi CP-Ambang Sulfida untuk Tebatan HE

Ambang permulaan HE berikut telah diperoleh daripada polarisasi katodik terkawal bagi spesimen bengkok 316L U-(tegangan tegangan berterusan) dalam air laut sintetik (pH 8.0, 25 darjah ) pada pelbagai kepekatan sulfida (sebagai Na2S) selama 10,000 jam.

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 Tiada Ya
-900 to -1,000 0 Low >15,000 Tiada Ya
-1,000 hingga -1,050 0 Sederhana 8,000-15,000 Bercampur (beberapa HE) Boleh Diterima
-1,050 hingga -1,100 0 Tinggi 3,000-8,000 HE Tidak disyorkan (jangka panjang) < -1,100 0 Sangat tinggi<3,000 HE No > -800 10-50 Low (sulphide limited) >15,000 Tiada Boleh Diterima
-800 hingga -850 10-50 Sederhana 8,000-15,000 Marginal Campuran
-850 hingga -900 10-50 Tinggi 4,000-8,000 HE Tidak disyorkan < -900 10-50Sangat tinggi<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 Tinggi hingga sangat tinggi<5,000 (≤ -700 mV) HE No (316L not suited)
Kerentanan kepada HE sebagai Fungsi Suhu

Suhu yang lebih tinggi meningkatkan kadar resapan hidrogen dan pereputan.

Suhu ( darjah ) Potensi CP Maksimum untuk 10,000j HE-Perkhidmatan Percuma (mV lwn. Ag/AgCl, 0 sulfida) Potensi CP Maksimum untuk 10,000j HE-Servis Percuma (10 ppm sulfida)
5 -1,050 -900 15 -1,030 -880 25 -1,000 -850 35 -970 -820 50 -920 -780 
Syor Praktikal untuk Perlindungan Katodik Keluli Tahan Karat 316L dalam Air Laut

Untuk pemanas bersalut 316L dalam air laut dengan perlindungan katodik, sekatan potensi CP berikut dikenakan bergantung pada anggaran kepekatan sulfida.

Jenis Air Laut Purata Sulfida (ppm) Julat Potensi CP (mV lwn. Ag/AgCl) Dicadangkan Hayat Potensi Maksimum 10,000j (mV)Bahan Alternatif
Bersih, berudara<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
Anoksik/sulfidik 50-100 -750 kepada -800 -820 Dupleks 2205 atau aloi 825
Severe sulfidic >100 Tidak Disyorkan Tiada Titanium atau Inconel 625
Pengenalpastian Medan CP Induced HE

Pemanas 316L yang gagal dalam air masin di bawah perlindungan katodik sering menunjukkan keretakan HE transgranular (melalui butiran) dengan sedikit cawangan dan selalunya permukaan patah rapuh yang rata. Puncanya disahkan oleh kehadiran sulfida (bau H2S, mendapan besi sulfida hitam) dan potensi CP lebih negatif daripada -900 hingga -1,000 mV. Jawapannya ialah untuk meningkatkan potensi CP (kurang negatif) kepada julat selamat, atau menaik taraf kepada aloi yang lebih tahan HE (dupleks 2205, atau titanium).

Kesimpulan: Kawalan Potensi CP dan Sulfida untuk Mencegah 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 sulfida tanpa mengira potensi CP. Jurutera yang menetapkan sarung 316L terlindung katodik untuk perkhidmatan maritim mesti menguruskan potensi CP untuk berada dalam tingkap selamat dan memantau sulfida. Model yang dibangunkan di sini mengaitkan potensi CP, kepekatan sulfida dan masa permulaan HE pada 25 darjah dalam air masin dan menyediakan asas kepada pembeli untuk menentukan titik set CP yang akan mengelakkan pereputan hidrogen bagi sarung pemanas 316L sepanjang hayat reka bentuk 10,000 jam.