Berdasarkan Kombinasi Spesifik dari Potensi Perlindungan Katodik Terapan dan Konsentrasi Sulfida yang Melakukan Selubung Pemanas 316L dalam Air Laut pada Transisi 25 derajat dari Penggetasan Hidrogen ke Perilaku Ulet Setelah 10.000 Jam

Batas Kerusakan Hidrogen pada Proteksi Katodik Laut

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 bahkan pada -800mV. Artikel ini menilai ambang batas potensi CP (konsentrasi sulfida) untuk menghindari HE setelah 10.000 jam paparan.

Mekanisme Penggetasan Hidrogen di bawah Perlindungan Katodik

Proteksi katodik 316L dalam air laut biasanya dilakukan dengan anoda korban (seng atau aluminium) atau arus terkesan (ICCP). Evolusi hidrogen dimulai pada potensial yang lebih negatif daripada -800 mV vs. Ag/AgCl. Tingkat masuknya hidrogen ke dalam 316L meningkat seiring dengan potensi penurunan. Spesies sulfida (H2S, HS−, dan S2−) teradsorpsi pada permukaan logam dan meracuni proses rekombinasi hidrogen (2H → H2). Hal ini meningkatkan konsentrasi atom hidrogen dalam logam sebesar 10 hingga 1.000 kali lipat. Batas konsentrasi hidrogen untuk HE dalam 316L adalah sekitar 5-10 ppm (berat). Di atas batas ini, material menjadi rapuh dan rusak melalui retakan intergranular atau transgranular akibat tegangan sisa atau tegangan tarik yang diterapkan.

Mengukur Potensi CP-Ambang Sulfida untuk Mitigasi HE

Ambang batas inisiasi HE berikut telah diperoleh dari polarisasi katodik terkontrol dari spesimen tikungan 316L U-(regangan tarik kontinu) dalam air laut sintetis (pH 8,0, 25 derajat ) pada berbagai konsentrasi 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 Tidak ada Ya
-900 to -1,000 0 Low >15.000 Tidak ada Ya
-1.000 hingga -1,050 0 Sedang 8.000-15.000 Campuran (sebagian HE) Dapat diterima
-1.050 hingga -1,100 0 Tinggi 3.000-8.000 HE Tidak direkomendasikan (jangka panjang) < -1,100 0 Sangat tinggi<3,000 HE No > -800 10-50 Low (sulphide limited) >15.000 Tidak ada yang dapat diterima
-800 hingga -850 10-50 Sedang 8.000-15.000 Marginal Campuran
-850 hingga -900 10-50 Tinggi 4,000-8,000 HE Tidak disarankan < -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 terhadap HE sebagai Fungsi Suhu

Temperatur yang lebih tinggi meningkatkan laju difusi dan penggetasan hidrogen.

Suhu (derajat ) Potensi CP Maksimum untuk 10.000 jam HE-Layanan Gratis (mV vs. Ag/AgCl, 0 sulfida) Potensi CP Maksimum untuk 10.000 jam HE-Layanan Gratis (10 ppm sulfida)
5 -1,050 -900 15 -1,030 -880 25 -1,000 -850 35 -970 -820 50 -920 -780 
Rekomendasi Praktis untuk Proteksi Katodik Baja Tahan Karat 316L di Air Laut

Untuk pemanas 316L yang terbungkus dalam air laut dengan proteksi katodik, batasan potensial CP berikut berlaku tergantung pada perkiraan konsentrasi sulfida.

Jenis Air Laut Rata-rata Sulfida (ppm) Kisaran Potensial CP (mV vs. Ag/AgCl) Disarankan Umur Potensial Maksimum 10.000 jam (mV) Bahan Alternatif
Bersih, diangin-anginkan<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/sulfida 50-100 -750 hingga -800 -820 Dupleks 2205 atau paduan 825
Severe sulfidic >100 Tidak Direkomendasikan N/A Titanium atau Inconel 625
Identifikasi Lapangan HE yang Diinduksi CP

Pemanas 316L yang gagal dalam air asin di bawah proteksi katodik sering kali menunjukkan retakan HE transgranular (melalui butiran) dengan sedikit percabangan dan sering kali permukaan patahan datar dan getas. Penyebabnya dipastikan dengan adanya sulfida (bau H2S, endapan besi hitam sulfida) dan potensial CP lebih negatif dari -900 hingga -1.000 mV. Jawabannya adalah dengan meningkatkan potensi CP (kurang negatif) ke kisaran aman, atau meningkatkan ke paduan yang lebih tahan HE (dupleks 2205, atau titanium).

Kesimpulan: Pengendalian 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 terlepas dari potensi CP. Insinyur yang menentukan selubung 316L berpelindung katodik untuk layanan maritim harus mengelola potensi CP agar berada dalam jendela aman dan memantau sulfida. Model yang dikembangkan di sini menghubungkan potensi CP, konsentrasi sulfida, dan waktu inisiasi HE pada 25 derajat dalam air asin dan memberikan dasar bagi pembeli untuk menentukan titik setel CP yang akan menghindari penggetasan hidrogen pada selubung pemanas 316L sepanjang umur desain 10.000 jam.