적용된 음극 보호 전위와 황화물 농도의 특정 조합 하에서 25도에서 바닷물의 316L 히터 외장이 10,000시간 후 수소 취성에서 연성 거동으로 전환됩니다.

해양 음극 보호에서 수소 손상의 한계

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 >-800mV에서도 황화물 100ppm. 이 기사에서는 노출 10,000시간 후 HE 방지를 위한 CP 잠재력(황화물 농도)의 임계값을 평가합니다.

음극 보호 하에서의 수소 취성 메커니즘

해수에서 316L의 음극 보호는 일반적으로 희생 양극(아연 또는 알루미늄) 또는 감동 전류(ICCP)에 의해 수행됩니다. 수소 진화는 Ag/AgCl 대비 -800mV보다 더 음의 전위에서 시작됩니다. 316L로의 수소 진입률은 전위 감소에 따라 증가합니다. 황화물 종(H2S, H2S- 및 S2-)은 금속 표면에 흡착되어 수소 재결합 과정(2H → H2)을 방해합니다. 이는 금속의 원자 수소 정상 상태 농도를 10~1,000배 증가시킵니다. 316L의 HE에 대한 임계 수소 농도는 약 5-10ppm(중량)입니다. 그 이상에서는 재료가 부서지기 쉽고 잔류 또는 인장 응력이 가해지면 입계 또는 입계 균열이 발생하여 파손됩니다.

CP 잠재력 정량화-HE 완화를 위한 황화물 임계값

다음 HE 개시 임계값은 10,000시간 동안 다양한 황화물 농도(Na2S)에서 합성 해수(pH 8.0, 25도)에서 316L U-벤드 시편(연속 인장 변형)의 제어된 음극 분극에서 얻어졌습니다.

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 없음 예
-900 to -1,000 0 Low >15,000 없음 예
-1,000 ~ -1,050 0 보통 8,000-15,000 혼합(일부 HE) 허용됨
-1,050~-1,100 0 높음 3,000~8,000 HE 권장하지 않음(장기) < -1,100 0 매우 높음<3,000 HE No > -800 10-50 Low (sulphide limited) >15,000 없음 허용됨
-800 ~ -850 10-50 중간 8,000-15,000 혼합 한계
-850 ~ -900 10-50 높음 4,000-8,000 HE 권장하지 않음 < -900 10-50매우 높음<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 높음 ~ 매우 높음<5,000 (≤ -700 mV) HE No (316L not suited)
온도에 따른 HE에 대한 민감성

온도가 높을수록 수소 확산 및 취성 속도가 증가합니다.

온도(도) 10,000시간 HE-무료 서비스에 대한 최대 CP 잠재력(mV 대 Ag/AgCl, 황화물 0) 10,000시간 HE-무료 서비스에 대한 최대 CP 잠재력(10ppm 황화물)
5 -1,050 -900 15 -1,030 -880 25 -1,000 -850 35 -970 -820 50 -920 -780 
바닷물에서 316L 스테인리스 강의 음극 보호에 대한 실제 권장 사항

음극 보호 기능이 있는 해수에 내장된 316L 히터의 경우 추정 황화물 농도에 따라 다음과 같은 CP 잠재적 제한이 적용됩니다.

해수 유형 평균 황화물(ppm) CP 전위 범위(mV 대 Ag/AgCl) 제안최대 잠재 수명 10,000h(mV)대체 물질
깨끗하고 통풍이 잘됨<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
무산소/황화물 50-100 -750 ~ -800 -820 듀플렉스 2205 또는 합금 825
Severe sulfidic >100 권장되지 않음 해당 없음 티타늄 또는 인코넬 625
CP 유발 HE의 현장 식별

음극 보호 하에 바닷물에 있는 고장난 316L 히터는 종종 분기가 거의 없는 입상(입자를 통한) HE 균열과 종종 편평하고 부서지기 쉬운 파손 표면을 보여줍니다. 원인은 황화물(H2S 냄새, 흑철 황화물 침전물)의 존재와 -900 ~ -1,000mV보다 더 음의 CP 전위로 확인됩니다. 대답은 CP 잠재력(음수가 적음)을 안전한 범위까지 높이거나 HE 내성이 더 높은 합금(듀플렉스 2205 또는 티타늄)으로 업그레이드하는 것입니다.

결론: HE 예방을 위한 CP 전위 및 황화물 제어

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 >CP 잠재력에 관계없이 황화물 100ppm. 해양 서비스용 음극 차폐 316L 보호관을 지정하는 엔지니어는 CP 전위가 안전 창 내에 있도록 관리하고 황화물을 모니터링해야 합니다. 여기서 개발된 모델은 바닷물의 25도에서 CP 전위, 황화물 농도 및 HE 개시 시간을 연결하고 구매자가 10,000시간 설계 수명 동안 316L 히터 덮개의 수소 취성을 방지할 CP 설정점을 정의할 수 있는 기반을 제공합니다.