Sut Mae Trwch Wal Gwain Dur Di-staen 316 yn Effeithio ar y Risg o Brithiad Hydrogen Yn ystod Gwasanaeth Diogelu Electrolytig neu Cathodig mewn Cymwysiadau Morol?

Mecanwaith methiant a anwybyddir yn aml ar gyfer peirianwyr morol ac alltraeth sy'n defnyddio gwresogyddion trochi trydan mewn amgylcheddau lle mae systemau amddiffyn cathodig yn gweithredu megis cyrff llongau, llwyfannau alltraeth a strwythurau cymeriant dŵr môr yw brithiad hydrogen o'r 316 o wain dur gwrthstaen. Mae dyfeisiau amddiffyn cathodig (naill ai anodau aberthol neu gerrynt argraffedig) yn creu hydrogen atomig ar wyneb y metel fel sgil-gynnyrch y broses amddiffyn. Mae'n bosibl y bydd yr hydrogen hwn yn mudo i'r dellt 316, lle mae'n gwahanu ar ffiniau a chynhwysion grawn, gan leihau hydwythedd a chymell torri straen tynnol. Mae trwch wal y wain yn pennu graddiant crynodiad hydrogen ac amser hydrogen yn cyrraedd arwyneb mewnol. Mae'r erthygl hon yn cyflwyno cysylltiadau meintiol rhwng trwch wal wain 316 a'r risg o embrittlement hydrogen ac yn rhoi arweiniad ar gyfer dewis gwresogyddion i'w defnyddio mewn amgylcheddau morol gwarchodedig cathodaidd.

Mecanwaith Treiddiad Hydrogen a Brithiad mewn 316 o Ddur Di-staen
Pan fydd system amddiffyn cathodig yn polareiddio wyneb dur di-staen 316 i botensial negyddol o'i gymharu â'r amgylchoedd, mae gostyngiad dŵr yn creu hydrogen atomig: H₂O + e⁻ → H + OH⁻. Gall yr hydrogen atomig hwn naill ai ailgyfuno i mewn i nwy hydrogen moleciwlaidd neu arsugniad ar yr wyneb metel a threiddio i mewn i'r dellt. Mae cyfradd trylediad hydrogen yn y dur di-staen austenitig yn gymharol isel o'i gymharu â'r duroedd ferritig (tua . 10-12 i 10-14 m2/s ar dymheredd yr ystafell), ond mae'n ddigon uchel ar dymheredd uchel gweithrediad y gwresogydd. Y tu mewn i'r dellt, mae atomau hydrogen yn ymrannu i leoedd o straen triaxial uchel fel blaen crac crac blinder sy'n datblygu neu'r parth tynnol o dan bwll. Mae hydrogen yn y mannau hyn yn lleihau cryfder cydlynol y cysylltiadau metel ac yn achosi toriad brau ar bwysau sy'n llawer is na chryfder cnwd arferol y deunydd. Mae embrittlement hydrogen o 316 o ddur di-staen yn fwyaf amlwg rhwng 20 gradd a 100 gradd, gyda thueddiad uchaf tua 50-80 gradd. Mae hydrogen uwch na 150 gradd yn ddigon symudol i ddianc o safleoedd trapio ac felly'n lleihau'r tebygolrwydd o frodordeb. Ar gyfer gwainiau gwresogyddion sy'n gweithio ar dymheredd arwyneb uchel gall y risg fod yn hunangyfyngol os yw tymheredd y metel yn uwch na rhyw 120 gradd.

Sut Mae Trwch Wal yn Effeithio Crynodiad Hydrogen a Pherygl o Brith
Mae'r fflwcs hydrogen i'r wain yn dibynnu ar y potensial amddiffyn cathodig a'r newidynnau amgylchynol. Y grym gyrru ar gyfer fflwcs hydrogen yw'r crynodiad hydrogen ar yr wyneb allanol. Ar gyfer crynodiad arwyneb hydrogen penodol, mae'r crynodiad hydrogen cyflwr sefydlog ar wyneb mewnol y wain yn gostwng yn esbonyddol gyda thrwch wal cynyddol. Mae'r proffil crynodiad hydrogen yn dilyn ail ddeddf trylediad Fick. Ar gyfer gwain waliau tenau < 1.0 mm, bydd hydrogen yn tryledu ar draws y trwch wal llawn ymhen wythnosau i fisoedd i'r wyneb mewnol lle mae'r inswleiddiad MgO a'r wifren gwrthiant wedi'u lleoli. Mae straen tynnol yn bodoli ar yr wyneb mewnol, fel y maent yn ei wneud o'r MgO cywasgedig ac ehangu thermol, a gall hydrogen gynhyrchu cracio embrittlement. Mewn gwain wal drwchus gyda thrwch mwy na 1.8 mm, mae'r crynodiad hydrogen ar yr arwyneb mewnol yn parhau i fod bron yn sero am flynyddoedd oherwydd bod y graddfeydd amser trylediad yn cyd-fynd â sgwâr y trwch. Os cynyddir trwch y wal o 1.0 mm i 2.0 mm, bedair gwaith yn hirach yw'r amser sydd ei angen i hydrogen gyrraedd yr wyneb mewnol. Mae data arbrofol ar dreiddiad hydrogen trwy 316 pilen yn datgelu bod crynodiad yr arwyneb mewnol yn cyrraedd 50% o'r gwerth cyflwr sefydlog ar 60 gradd gyda polareiddio cathodig o -1.0 V yn erbyn Ag/AgCl ar ôl tua 90 diwrnod ar gyfer wal o 1.0 mm. Mae wal 1.6mm yn cymryd 230 diwrnod. 2.0 mm angen 360 diwrnod. Mae wal o 2.5 mm yn cymryd mwy na 560 diwrnod. Mae waliau mwy trwchus yn achosi oedi mawr cyn i hydrogen gyrraedd, gan ganiatáu i'r gwresogydd weithredu am gyfnodau hir cyn i amodau breu ddod i'r amlwg.

Gwrthwynebiad i embrittlement hydrogen: trwch wal trothwy
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 gradd ), gall waliau teneuach fod yn dderbyniol gan fod tymheredd uchel yn cynyddu trylededd hydrogen ond hefyd yn lleihau tueddiad embrittlement. Mae'r tabl canlynol yn rhoi canllawiau trwch wal ar gyfer sawl math o amddiffyniad cathodig, tymereddau gweithredu, a bywydau gwasanaeth rhagamcanol.

Math o Ddiogelwch Cathodig Tymheredd Gweithredu Gwain Isafswm Trwch Wal a Argymhellir 316Trwch Wal Uchaf a Argymhellir 316 gradd Risg a ragwelir o embrittlement hydrogen
Sinc neu anodau aberthol alwminiwm<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
Anodes aberthol sinc neu alwminiwm60 – 100 gradd 1.4 mm 2.0 mm Cymedrol; gwiriwch am gracio
Anodes aberthol sinc neu alwminiwm Dros 100 gradd 1.2 mm 1.8 mm Isel gyda dadsorbio tymheredd
Cerrynt argraffedig (-potensial uchel)Dan 60 gradd 2.0 mm 2.5 mm Perygl uchel; Cynghorir uwchraddio aloi
Cerrynt argraffedig (potensial uchel) 60 – 100 gradd C 1.8 mm 2.5 mm Waliau cymedrol o drwch
High potential (impressed current) >100 gradd 1.6 mm 2.0 mm Arolygu cymedrol, aml
Amddiffyniad cathodig dim Dim risg o embrittlement hydrogen 0.8 mm Unrhyw dymheredd 2.5 mm
Ar gyfer systemau amddiffyn cathodig cyfredol argraffedig sy'n gweithredu ar botensial sy'n fwy negyddol na -1.0 V vs. Ag/AgCl, mae cyfradd creu hydrogen yn sylweddol. 316 ni chaiff dur di-staen ei awgrymu fel arfer ar gyfer sefyllfaoedd o'r fath, waeth beth fo trwch y wal. Nodwch aloion â thrylededd hydrogen is a mwy o wrthwynebiad i embrittlement fel titaniwm neu aloi 625. Mae gan ditaniwm, yn benodol, amddiffyniad hunan-gyfyngol gan ei fod yn cynhyrchu haen hydrid sydd mewn gwirionedd yn atal mwy o hydrogen rhag mynd i mewn.

Addasiadau Dyluniad i Leihau'r Risg o Brithiad Hydrogen
Os oes rhaid defnyddio gwain 316 mewn amgylchedd morol a warchodir yn gathodaidd ac nad yw cyfyngiadau thermol yn caniatáu i drwch y wal gael ei godi y tu hwnt i 1.6 mm, gall tri newid dylunio leihau'r risg o embrittled hydrogen. Y cyntaf yw gorchuddio wyneb allanol y wain â haen rhwystr. Gall gorchudd trwchus, di-ddiffyg o epocsi, polywrethan neu fflworopolymer gyfyngu ar dreiddiad hydrogen gan ffactor o 10 i 100, fel bod yr amser trylediad yn cynyddu fel pe bai'r wal yn llawer mwy trwchus . Dylai'r gorchudd fod yn amddifad o dyllau pin ac yn gallu gwrthsefyll biobaeddu morol. Yr ail addasiad yw gweithredu'r gwresogydd ar dymheredd arwyneb dros 120 gradd, lle bo hynny'n ymarferol. Ar y tymereddau hyn mae hydrogen yn dadsugno'n gyflym o safleoedd trapio ac mae'r tueddiad i gael brithiad yn lleihau'n fawr. Efallai na fydd gwresogydd sy'n beicio i dymheredd uchel bob dydd byth yn adeiladu digon o hydrogen i achosi cracio. Y trydydd newid yw insiwleiddio'r gwresogydd yn drydanol o'r strwythur gwarchodedig cathodig. Mae'r wain wedi'i diogelu rhag potensial amddiffyn cathodig gan fflansau mowntio anfetelaidd neu gasgedi inswleiddio. Efallai y bydd rhywfaint o hydrogen yn cael ei greu o hyd o effeithiau galfanig ond mae'r grym gyrru yn llawer llai. Dylai peirianwyr ymgynghori ag arbenigwyr cyrydiad cyn nodi 316 o wain ar gyfer unrhyw gais lle mae amddiffyniad cathodig cyfredol argraffedig yn bresennol. Mae systemau gwasgedd sy'n methu oherwydd embrittlement hydrogen yn torri'n sydyn gyda chracio brau ac ychydig o anffurfiad blaenorol. Gall y methiannau hyn fod yn drychinebus. Ar gyfer cymwysiadau pwysig, mae cost gynyddol aloi sy'n gwrthsefyll hydrogen yn arian sydd wedi'i wario'n dda.