Com afecta el gruix de la paret de la funda d'acer inoxidable 316 el risc de fragilització de l'hidrogen durant el servei de protecció electrolítica o catòdica en aplicacions marines?

Un mecanisme de fallada-que sovint es passa per alt per als enginyers marins i en alta mar que utilitzen escalfadors d'immersió elèctrics en entorns on funcionen sistemes de protecció catòdica, com ara cascos de vaixells, plataformes en alta mar i estructures d'admissió d'aigua de mar, és la fragilitat per hidrogen de la funda d'acer inoxidable 316. Els dispositius de protecció catòdica (ja siguin ànodes de sacrifici o corrent imprès) creen hidrogen atòmic a la superfície del metall com a sub-producte del procés de protecció. Aquest hidrogen pot migrar a la gelosia 316, on es segrega als límits i inclusions de gra, disminuint la ductilitat i induint la ruptura de l'esforç de tracció. El gruix de la paret de la funda determina un gradient de concentració d'hidrogen i el temps en què l'hidrogen arriba a una superfície interior. Aquest article presenta enllaços quantitatius entre el gruix de la paret de la coberta de 316 i el risc de fragilització per hidrogen i ofereix orientacions per a la selecció d'escalfadors per utilitzar-los en entorns marítims protegits catòdicament.

Mecanisme de penetració i fragilització de l'hidrogen en acer inoxidable 316
Quan un sistema de protecció catòdica polaritza una superfície d'acer inoxidable 316 a un potencial negatiu en comparació amb l'entorn, la reducció d'aigua crea hidrogen atòmic: H₂O + e⁻ → H + OH⁻. Aquest hidrogen atòmic pot recombinar-se en gas d'hidrogen molecular o adsorbir-se a la superfície metàl·lica i filtrar-se a la xarxa. La velocitat de difusió de l'hidrogen a l'acer inoxidable austenític és relativament baixa en comparació amb els acers ferrítics (aproximadament . 10-12 a 10-14 m2/s a temperatura ambient), però és prou alta a l'alta temperatura de funcionament de l'escalfador. Dins de la gelosia, els àtoms d'hidrogen es divideixen en llocs d'alta tensió triaxial, com ara la punta de l'esquerda d'una esquerda de fatiga en desenvolupament o la zona de tracció sota una fossa. L'hidrogen en aquests llocs redueix la força de cohesió dels enllaços metàl·lics i provoca una fractura fràgil a pressions molt per sota de la força elàstica habitual del material. La fragilitat per hidrogen de l'acer inoxidable 316 és més pronunciada entre 20 i 100 graus, amb una susceptibilitat màxima a uns 50-80 graus. L'hidrogen per sobre de 150 graus és prou mòbil per escapar dels llocs d'atrapament i, per tant, redueix la probabilitat de fragilitat. Per a les beines d'escalfament que treballen a temperatures superficials elevades, el risc pot ser autolimitat si la temperatura del metall supera els 120 graus.

Com afecta el gruix de la paret la concentració d'hidrogen i el risc de fragilització
El flux d'hidrogen a la funda depèn del potencial de protecció catòdica i de les variables ambientals. La força motriu del flux d'hidrogen és la concentració d'hidrogen a la superfície exterior. Per a una concentració d'hidrogen determinada, la concentració d'hidrogen en estat estacionari a la superfície interna de la funda disminueix exponencialment amb l'augment del gruix de la paret. El perfil de concentració d'hidrogen segueix la segona llei de difusió de Fick. Per a una funda de paret fina de <1,0 mm, l'hidrogen es difondrà per tot el gruix de la paret en setmanes o mesos fins a la superfície interior on es troba l'aïllament de MgO i el cable de resistència. Hi ha tensions de tracció a la superfície interior, com ho fan a partir del MgO compactat i l'expansió tèrmica, i l'hidrogen pot produir esquerdes de fragilitat. En una beina de paret gruixuda amb un gruix superior a 1,8 mm, la concentració d'hidrogen a la superfície interior es manté propera a zero durant anys a causa del fet que el temps de difusió escala amb el quadrat de gruix. Si el gruix de la paret augmenta d'1,0 mm a 2,0 mm, quatre vegades més llarg és el temps necessari perquè l'hidrogen arribi a la superfície interior. Les dades experimentals sobre la permeació d'hidrogen a través de 316 membranes revelen que la concentració de la superfície interna arriba al 50% del valor de l'estat estacionari a 60 graus amb polarització catòdica de -1,0 V vs Ag/AgCl després d'uns 90 dies per a una paret d'1,0 mm. Una paret d'1,6 mm triga 230 dies. 2.0 mm requereix 360 dies. Una paret de 2,5 mm triga més de 560 dies. Les parets més gruixudes creen un gran retard en l'arribada d'hidrogen, de manera que permet que l'escalfador funcioni durant llargs períodes de temps abans que apareguin les condicions de fragilitat.

Resistència a la fragilitat de l'hidrogen: gruix de paret llindar
Based on diffusion calculations and field experience with cathodically protected marine structures a minimum sheath wall thickness of 1.6 mm of 316 is recommended for heaters operating in situations where cathodic protection is active. Under normal seawater temperatures, hydrogen can penetrate to the inner surface within one year at depths less than 1.6 mm, posing a danger of embrittlement cracking in the inner wall when swaging-induced tensile residual stresses are present. For 2.0 mm and larger, the diffusion delay exceeds two years, a huge safety buffer. But there is the thermal penalty of thick walls--higher surface temperature and restricted heat transfer. Where cathodic protection is available but the heater is intermittent or the surface temperature is high (>120 graus), les parets més primes poden ser acceptables, ja que la temperatura elevada augmenta la difusivitat de l'hidrogen, però també disminueix la susceptibilitat a la fragilitat. La taula següent ofereix pautes de gruix de paret per a diversos tipus de protecció catòdica, temperatures de funcionament i vida útil projectada.

Tipus de protecció catòdica Temperatura de funcionament de la funda Gruix de paret mínim recomanat 316 Gruix de paret màxim recomanat 316 graus Risc previst de fragilitat per hidrogen
Ànodes de sacrifici de zinc o alumini<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
Ànodes de sacrifici de zinc o alumini60 – 100 graus 1,4 mm 2,0 mm Moderat; comproveu si hi ha esquerdes
Ànodes de sacrifici de zinc o aluminiMés de 100 graus 1,2 mm 1,8 mm Baix amb desorció de temperatura
Corrent impressionat (-alt potencial)Menys de 60 graus 2,0 mm 2,5 mm Alt perill; Es recomana millorar l'aliatge
Corrent imprès (alt potencial) 60 – 100 graus C 1,8 mm 2,5 mm Parets de gruix moderat
High potential (impressed current) >100 graus 1,6 mm 2,0 mm Inspecció moderada i freqüent
Protecció catòdica cap Sense risc de fragilitat per hidrogen 0,8 mm Qualsevol temperatura 2,5 mm
Per als sistemes de protecció catòdica de corrent impressionat que funcionen a potencials més negatius que -1,0 V en comparació amb Ag/AgCl, la velocitat de creació d'hidrogen és significativa. 316, normalment no es recomana l'acer inoxidable per a aquestes situacions, independentment del gruix de la paret. Especifiqueu aliatges amb menor difusivitat de l'hidrogen i major resistència a la fragilitat com el titani o l'aliatge 625. El titani, en particular, té una defensa autolimitada, ja que genera una capa d'hidrur que en realitat impedeix que entri més hidrogen.

Modificacions del disseny per minimitzar el risc de fragilització de l'hidrogen
Si s'ha d'utilitzar una funda 316 en un entorn marítim protegit catòdicament i les limitacions tèrmiques no permeten augmentar el gruix de la paret més enllà d'1,6 mm, tres canvis de disseny poden reduir el risc de fragilitat per hidrogen. El primer és recobrir la superfície exterior de la funda amb una capa de barrera. Un recobriment dens i lliure de defectes d'epoxi, poliuretà o fluoropolímer pot restringir la penetració d'hidrogen en un factor de 10 a 100, de manera que el temps de difusió augmenta com si la paret fos considerablement més gruixuda. El recobriment ha de ser exempt de forats i resistent a la bioincrustació marina. El segon ajust és fer funcionar l'escalfador a una temperatura superficial superior a 120 graus, sempre que sigui possible. A aquestes temperatures, l'hidrogen es desorbeix ràpidament dels llocs d'atrapament i la susceptibilitat a la fragilitat es redueix molt. Un escalfador que cicli a alta temperatura cada dia potser mai genera prou hidrogen per provocar esquerdes. El tercer canvi és aïllar elèctricament l'escalfador de l'estructura protegida catòdicament. La funda està protegida del potencial de protecció catòdica mitjançant brides de muntatge no metàl·liques o juntes aïllants. Encara pot haver-hi alguna creació d'hidrogen per efectes galvànics, però la força motriu és molt menor. Els enginyers haurien de consultar especialistes en corrosió abans d'especificar 316 beines per a qualsevol aplicació on hi hagi una protecció catòdica de corrent impresa. Els sistemes a pressió que fallen per la fragilitat de l'hidrogen es trenquen sobtadament amb esquerdes fràgils i poca deformació prèvia. Aquests errors poden ser catastròfics. Per a aplicacions importants, l'augment de la despesa d'un aliatge-resistent a l'hidrogen és diners ben gastats.