Как процент предварительной холодной обработки оболочек нагревательных трубок из нержавеющей стали 316 контролирует эффективность улавливания водорода и риск отсроченного растрескивания в системах с катодной защитой

Плотность ловушек, вызванных деформацией, как параметр водородного охрупчивания

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%), большие места ловушек могут уменьшить охрупчивание (широкое распределение водорода) или способствовать охрупчиванию (концентрированные поля напряжений). Однако для 316, находящихся в эксплуатации катодной защиты, минимальный риск охрупчивания приходится на крайние значения полного отжига (<5% cold work) or heavy cold work (>30% с последующим снятием стресса). В этой статье количественно определяется связь между объемом холодной обработки, эффективностью улавливания водорода и риском замедленного растрескивания.

Механизмы улавливания водорода в холоднодеформированных аустенитных нержавеющих сталях.

Водород может проникать в нержавеющую сталь 316 с поверхности катода, создаваемой восстановлением воды (2H2O + 2e- → H2 + 2OH-). Коэффициент диффузии водорода в решетке аустенита (FCC) высокий (~10-10 см2/сек при 25 градусах), а растворимость низкая. Холодная обработка создает ловушки, которые сильнее связывают водород: дислокации (энергия связи ~ 30-40 кДж/моль), вакансии (~ 50-60 кДж/моль) и мартенсит деформации (ОЦК, со значительно более высокой растворимостью водорода, ~ 10 4 выше, чем аустенит). При низкой плотности ловушек водород быстро течет через решетку, не причиняя вреда металлу. При промежуточной плотности ловушек водород накапливается в местах ловушек; особенно в тройных точках и на границах раздела включение-матрица, он рекомбинирует с образованием молекулярного водорода, вызывая внутреннее давление и вызывая трещины. При очень высокой плотности ловушек мест ловушек настолько много, что водород диспергируется очень мелко, и локальное давление в любом отдельном месте ловушки недостаточно, чтобы вызвать растрескивание – если материал не находится под значительным растягивающим напряжением.

Количественная корреляция между холодной обработкой и риском замедленного растрескивания

Время до растрескивания (отсроченного разрушения) в зависимости от предшествующей холодной обработки было определено путем испытаний труб 316 под постоянной нагрузкой (образцы с изгибом U-) в моделируемой морской воде при 25°C с катодной защитой (приложенное напряжение -1050 мВ по сравнению с Ag/AgCl).

Предыдущая холодная обработка (снижение %) Твердость (HV) Деформация-Индуцированный мартенсит (%) Плотность захвата водорода (относительная) Время до замедленного растрескивания в CP (часы, предел текучести 75%) Рейтинг риска отсроченного растрескивания 0 (отжиг) 150–180<1 1× (baseline) >10 000 (без трещин) Очень низкая 5-10 180-210 1-3 2-3x 5 000–10 000 Низкая 10-15 210-240 3-6 5-8 × 2 000–5 000 Умеренная 15-20 240-270 6-10 10-15 × 500–2 000 Высокая 20-25 270-300 10-15 15-20 × 100–500 Тяжелая 25-30 300-330 15-20 20-25 × 50–200 Сверхтяжелая
30-35 330-360 18-22 25-30× 100-500 (plateau) High (but better than 20-25%) >40 >360 >25 >30 × 500–2000 (насыщенный) Средний
Влияние отжига для снятия напряжений на захват водорода

Отжиг для снятия напряжений при температуре 400-450 градусов в течение 1-2 ч снижает плотность дислокаций без рекристаллизации зеренной структуры и удаления мартенсита, вызванного деформацией. Такая обработка снижает эффективность улавливания водорода примерно на 50%, что значительно повышает устойчивость к замедленному растрескиванию.

Холодная обработка (%) Относительная плотность ловушки после-термообработки (как-нарисовано=1.0)Время до замедленного растрескивания (часы, выход 75%)Рекомендуется для службы CP 15 Нет 12× 500–1000 Нет 15 400 градусов, 1 час 6× 2000–4000 Да
20 Нет 18x 100–500 Нет
20 450 градус, 2 часа 8× 1 500–3 000 Предел 25 Нет 22× 50–200 Нет 25 500 градус, 2 часа 10× 1 000–2 000 Нет (по-прежнему высокий риск)
25 Full solution anneal (1,040°C) 1× >10 000 Да (возвращается в отожженное состояние)
Нагреватели с катодной защитой, практические советы

Для систем с катодной защитой следующие критерии для нагревателей с оболочкой 316 сводят к минимуму склонность к водородному охрупчиванию и замедленному растрескиванию:

Приложенный потенциал (мВ по сравнению с Ag/AgCl) Тип катодной защитыМакс. Допустимая холодная обработка (%)Рекомендуемая обработка после формовкиДругой материал
Жертвенные аноды (цинк/алюминий) от -800 до -1000 (низкая опасность)25 Отсутствие снятия напряжения или снятие напряжения на 400 градусов 316 допустимо
Впечатление присутствует (низкая чрезмерная защита) -- от 1050 до 1,000 15 450316предпочтительно L, стресс снижается при определенной степени
Подаваемый ток (стандартный) от -1050 до -1,100 10 Полный отжиг на раствор Duplex 2205
Подаваемый ток (высокая сверхзащита) — от 1200 до 1100.<5 Full solution anneal required Titanium or Alloy 625
Любая прерывистая работа. Идентификация замедленного растрескивания, вызванного водородом. 20 450 степень снятия напряжения 316, приемлемая с контролем.

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 В) и используются в системах с приложенным током КП при потенциалах ниже -1050 мВ. Запасные нагреватели должны быть указаны с полным отжигом на раствор (или, по крайней мере, со снятием напряжений) и максимальной твердостью 200 HV.

ВЫВОД: ОГРАНИЧЕНИЯ ХОЛОДНОЙ РАБОТЫ ДЛЯ УСЛУГ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ

Для нагревателей в кожухе из нержавеющей стали 316 в системах с катодной защитой процент предыдущей холодной обработки определяет эффективность улавливания водорода и риск замедленного растрескивания. Наибольший риск возникает при холодной обработке 20–30 % (твердость 270–330 HV), когда плотность мест ловушек достаточно высока, чтобы удерживать водород, но недостаточно высока, чтобы обеспечить его мелкораспределенное высвобождение. Наименьшую опасность представляет полностью отожженный материал (<5% cold work) and in substantially cold worked material with post stress release (>30% холодная работа + 450 степень обработки). Для оболочек 316 в морских или подземных системах CP инженеры должны поддерживать холодную обработку на уровне менее 15 % и устанавливать отжиг для снятия напряжений после формования при температуре 400–450 градусов. Для систем с подаваемым током с потенциалом менее -1050 мВ рекомендуется полный отжиг в растворе или модернизация до дуплексного 2205. Приведенная здесь схема устанавливает взаимосвязь между процентом холодной обработки и плотностью водородных ловушек, а также временем замедленного растрескивания, что позволяет клиентам выбирать оболочки 316, устойчивые к водородному охрупчиванию в ситуациях с катодной защитой.