¿Cómo afecta el espesor de la pared de la funda de acero inoxidable 316 al riesgo de fragilización por hidrógeno durante el servicio de protección electrolítica o catódica en aplicaciones marinas?

Un mecanismo de falla que a menudo-los ingenieros marinos y marinos pasan por alto que utilizan calentadores de inmersión eléctricos en entornos donde funcionan sistemas de protección catódica, como cascos de barcos, plataformas marinas y estructuras de entrada de agua de mar, es la fragilización por hidrógeno de la funda de acero inoxidable 316. Los dispositivos de protección catódica (ya sean ánodos de sacrificio o corriente impresa) crean hidrógeno atómico en la superficie del metal como sub-producto del proceso de protección. Este hidrógeno puede migrar a la red 316, donde se segrega en los límites de los granos y las inclusiones, disminuyendo la ductilidad e induciendo la rotura en la tensión de tracción. El espesor de la pared de la vaina determina un gradiente de concentración de hidrógeno y el tiempo que tarda el hidrógeno en llegar a la superficie interior. Este artículo presenta vínculos cuantitativos entre el espesor de la pared de la vaina 316 y el riesgo de fragilización por hidrógeno y brinda orientación para la selección de calentadores para uso en entornos marítimos protegidos catódicamente.

Mecanismo de fragilización y penetración de hidrógeno en acero inoxidable 316
Cuando un sistema de protección catódica polariza una superficie de acero inoxidable 316 a un potencial negativo en comparación con el entorno, la reducción del agua crea hidrógeno atómico: H₂O + e⁻ → H + OH⁻. Este hidrógeno atómico puede recombinarse en gas hidrógeno molecular o adsorberse en la superficie del metal y filtrarse en la red. La velocidad de difusión del hidrógeno en el acero inoxidable austenítico es relativamente baja en comparación con los aceros ferríticos (aproximadamente . 10-12 a 10-14 m2/s a temperatura ambiente), pero es lo suficientemente alta a la alta temperatura de funcionamiento del calentador. Dentro de la red, los átomos de hidrógeno se dividen en lugares de alta tensión triaxial, como la punta de una grieta por fatiga en desarrollo o la zona de tracción debajo de un pozo. El hidrógeno en estos lugares reduce la fuerza cohesiva de los enlaces metálicos y provoca una fractura frágil a presiones muy por debajo del límite elástico habitual del material. La fragilidad por hidrógeno del acero inoxidable 316 es más pronunciada entre 20 y 100 grados, con una susceptibilidad máxima entre 50 y 80 grados. Por encima de los 150 grados, el hidrógeno es lo suficientemente móvil como para escapar de los lugares atrapados y, por tanto, reduce la probabilidad de fragilización. Para las fundas calefactoras que funcionan a temperaturas superficiales elevadas, el riesgo puede ser autolimitado si la temperatura del metal supera los 120 grados.

Cómo el espesor de la pared afecta la concentración de hidrógeno y el riesgo de fragilidad
El flujo de hidrógeno a la funda depende del potencial de protección catódica y de las variables ambientales. La fuerza impulsora del flujo de hidrógeno es la concentración de hidrógeno en la superficie exterior. Para una concentración superficial de hidrógeno dada, la concentración de hidrógeno en estado estacionario-en la superficie interna de la vaina disminuye exponencialmente al aumentar el espesor de la pared. El perfil de concentración de hidrógeno sigue la segunda ley de difusión de Fick. Para una vaina de pared delgada-< 1,0 mm, el hidrógeno se difundirá a través de todo el espesor de la pared en semanas o meses hasta la superficie interna donde se encuentran el aislamiento de MgO y el cable de resistencia. Existen tensiones de tracción en la superficie interior, como ocurre con el MgO compactado y la expansión térmica, y el hidrógeno puede producir grietas por fragilización. En una vaina de paredes gruesas con un espesor de más de 1,8 mm, la concentración de hidrógeno en la superficie interna permanece cercana a cero durante años debido al hecho de que el tiempo de difusión aumenta con el cuadrado del espesor. Si el espesor de la pared aumenta de 1,0 mm a 2,0 mm, el tiempo necesario para que el hidrógeno llegue a la superficie interior es cuatro veces mayor. Los datos experimentales sobre la permeación de hidrógeno a través de 316 membranas revelan que la concentración de la superficie interna alcanza el 50 % del valor del estado estacionario a 60 grados con una polarización catódica de -1,0 V frente a Ag/AgCl después de aproximadamente 90 días para una pared de 1,0 mm. Una pared de 1,6 mm tarda 230 días. 2.0 una pared de mm requiere 360 ​​días. Una pared de 2,5 mm tarda más de 560 días. Las paredes más gruesas crean un gran retraso en la llegada del hidrógeno, lo que permite que el calentador funcione durante largos períodos de tiempo antes de que surjan condiciones de fragilidad.

Resistencia a la fragilización por hidrógeno: espesor umbral de la pared
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 grados), pueden ser aceptables paredes más delgadas ya que la temperatura alta aumenta la difusividad del hidrógeno pero también disminuye la susceptibilidad a la fragilidad. La siguiente tabla proporciona pautas de espesor de pared para varios tipos de protección catódica, temperaturas de funcionamiento y vidas útiles proyectadas.

Tipo de protección catódica Temperatura de funcionamiento de la funda Espesor de pared mínimo recomendado 316 Espesor de pared máximo recomendado 316 grados Riesgo previsto de fragilización por hidrógeno
Ánodos de sacrificio de zinc o aluminio<60°C 1.6 mm 2.5 mm Low, thick walls, high <1.2 mm
Ánodos de sacrificio de zinc o aluminio 60 – 100 grados 1,4 mm 2,0 mm Moderado; comprobar si hay grietas
Ánodos de sacrificio de zinc o aluminio Más de 100 grados 1,2 mm 1,8 mmBajo con desorción de temperatura
Corriente impresa (alto-potencial) Menos de 60 grados 2,0 mm 2,5 mm Alto peligro; Se recomienda mejorar la aleación.
Corriente impresa (alto potencial) 60 – 100 grados C 1,8 mm 2,5 mm Paredes de espesor moderado
High potential (impressed current) >100 grados 1,6 mm 2,0 mm Inspección moderada y frecuente
Protección catódica ninguna Sin riesgo de fragilización por hidrógeno 0,8 mm Cualquier temperatura 2,5 mm
Para sistemas de protección catódica de corriente impresa que funcionan a potenciales más negativos que -1,0 V frente a Ag/AgCl, la tasa de creación de hidrógeno es significativa.. 316 normalmente no se recomienda el acero inoxidable para tales situaciones, independientemente del espesor de la pared. Especifique aleaciones con menor difusividad del hidrógeno y mayor resistencia a la fragilización, como el titanio o la aleación 625. El titanio, en particular, tiene una defensa autolimitante porque genera una capa de hidruro que en realidad evita que entre más hidrógeno.

Modificaciones de diseño para minimizar el riesgo de fragilización por hidrógeno
Si se debe utilizar una funda 316 en un entorno marítimo protegido catódicamente y las limitaciones térmicas no permiten que el espesor de la pared se eleve más de 1,6 mm, tres cambios de diseño pueden disminuir el riesgo de fragilización por hidrógeno. La primera es recubrir la superficie exterior de la funda con una capa de barrera. Un recubrimiento denso y libre de defectos-de epoxi, poliuretano o fluoropolímero puede restringir la penetración del hidrógeno en un factor de 10 a 100, de modo que el tiempo de difusión aumenta como si la pared fuera considerablemente más gruesa. El revestimiento debe estar libre de poros y ser resistente a la bioincrustación marina. El segundo ajuste es hacer funcionar el calentador a una temperatura de la superficie superior a 120 grados, cuando sea posible. A estas temperaturas, el hidrógeno se desorbe rápidamente de los sitios atrapados y la susceptibilidad a la fragilización disminuye considerablemente. Es posible que un calentador que alcance temperaturas altas todos los días nunca genere suficiente hidrógeno como para causar grietas. El tercer cambio es aislar eléctricamente el calentador de la estructura protegida catódicamente. La funda está protegida del potencial de protección catódica mediante bridas de montaje no metálicas o juntas aislantes. Es posible que todavía se genere algo de hidrógeno a partir de efectos galvánicos, pero la fuerza impulsora es mucho menor. Los ingenieros deben consultar a especialistas en corrosión antes de especificar vainas 316 para cualquier aplicación donde esté presente protección catódica de corriente impresa. Los sistemas presurizados que fallan debido a la fragilización por hidrógeno se rompen repentinamente con grietas frágiles y poca deformación previa. Estos fracasos pueden ser catastróficos. Para aplicaciones importantes, el mayor gasto de una aleación resistente al hidrógeno-es dinero bien gastado.