適用される陰極防食電位と硫化物濃度の具体的な組み合わせにより、25 度の海水中で 316L ヒーター シースが 10,000 時間後に水素脆化から延性挙動に移行します。

海洋陰極防食における水素損傷の限界

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 >-800mVでも硫化物100ppm。この記事では、10,000 時間の暴露後の HE 回避のための CP 電位 (硫化物濃度) の閾値を評価します。

陰極防食下での水素脆化のメカニズム

海水中での 316L の陰極防食は、通常、犠牲陽極 (亜鉛またはアルミニウム) または印加電流 (ICCP) によって行われます。水素の発生は、Ag/AgCl に対して -800 mV よりも負の電位で始まります。 316L への水素侵入率は、電位の減少とともに増加します。硫化物種 (H2S、HS-、および S2-) は金属表面に吸着され、水素再結合プロセス (2H → H2) を阻害します。これにより、金属中の原子状水素の定常状態濃度が 10 ～ 1,000 倍増加します。 316L 中の HE の閾値水素濃度は約 5 ～ 10 ppm (重量) です。これを超えると、材料は脆くなり、残留応力または適用された引張応力の下で粒界または粒内亀裂を介して破損します。

HE 軽減のための CP 電位硫化物閾値の定量化-

以下の HE 開始閾値は、合成海水 (pH 8.0、25 度) 中で、さまざまな硫化物濃度 (Na2S として) で 10,000 時間、316L U- 曲げ試験片 (連続引張ひずみ) を制御したカソード分極から得られています。

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 なし あり
-900 to -1,000 0 Low >15,000 なし あり
-1,000 ～ -1、050 0 中程度 8,000 ～ 15,000 混合（一部の HE） 許容可能
-1,050 ～ -1、100 0 高 3,000 ～ 8,000 HE 推奨されません（長期） < -1、100 0 非常に高い<3,000 HE No > -800 10-50 Low (sulphide limited) >15,000 なし 許容可能
-800 ～ -850 10-50 中程度 8,000 ～ 15,000 混合限界
-850 ～ -900 10-50 高 4,000 ～ 8,000 HE 推奨されません < -900 10-50 非常に高い<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 高から非常に高<5,000 (≤ -700 mV) HE No (316L not suited)
温度の関数としての HE に対する感受性

温度が高くなると、水素の拡散速度と脆化速度が増加します。

温度 (度) 10,000 時間 HE-無料サービスでの最大 CP 電位 (mV 対 Ag/AgCl、硫化物 0) 10,000 時間 HE-無料サービスでの最大 CP 電位 (硫化物 10 ppm)
5 -1,050 -900 15 -1,030 -880 25 -1,000 -850 35 -970 -820 50 -920 -780 
海水中での 316L ステンレス鋼の陰極防食に関する実際的な推奨事項

陰極防食を施した海水用 316L ケース入りヒーターの場合、推定硫化物濃度に応じて次の CP 電位制限が適用されます。

海水の種類 平均硫化物 (ppm) CP 電位範囲 (mV 対 Ag/AgCl) 推奨される最大電位寿命 10,000 時間 (mV) 代替材料
清潔で通気性のある<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
無酸素/硫化物 50-100 -750 ～ -800 -820 二相 2205 または合金 825
Severe sulfidic >100 非推奨 該当なし チタンまたはインコネル 625
CP 誘発性 HE のフィールド同定

陰極防食下で海水中で故障した 316L ヒーターでは、分岐がほとんどなく、平坦な脆性破面を伴う粒内 (粒子を貫通する) HE 亀裂が見られることがよくあります。この原因は、硫化物 (H2S の臭い、黒い硫化鉄の堆積物) の存在と、-900 ～ -1,000 mV よりもマイナスの CP 電位によって確認されます。答えは、CP 電位を安全な範囲まで上げるか (負の値が低い)、より耐 HE 性の高い合金 (二相 2205 またはチタン) にアップグレードすることです。

結論: HE を防ぐための CP 電位と硫化物の制御

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 電位に関係なく 100 ppm の硫化物。海上業務用に陰極シールドされた 316L シースを指定するエンジニアは、CP 電位を安全な範囲内に管理し、硫化物を監視する必要があります。ここで開発されたモデルは、海水中 25 度での CP 電位、硫化物濃度、HE 開始時間を関連付けており、購入者が 10,000 時間の設計寿命を通じて 316L ヒーター シースの水素脆化を回避する CP 設定値を定義するための基礎を提供します。