การแตกตัวของไฮโดรเจนและการป้องกันทางโลหะวิทยา: รับประกันความสมบูรณ์ของแรงดึงใต้ผิวดินในแท่งสมอดินที่มีความแข็งแรงสูง

การแตกตัวของไฮโดรเจนและการป้องกันทางโลหะวิทยา: รับประกันความสมบูรณ์ของแรงดึงใต้ผิวดินในความแข็งแรงสูงสมอโลกแท่ง

 

ในการใช้งานเชิงโครงสร้างที่รุนแรง เช่น เสาส่งไฟฟ้าแรงสูง กำแพงกันดินแบบผูกกลับ และการออกแบบธรณีเทคนิคการยึดลาดนอกชายฝั่ง ต้องใช้แท่งพุกโลหะผสมแรงดึงสูงเพื่อทนทานต่อแรงตึงตามแนวแกนที่รุนแรง อย่างไรก็ตาม เมื่อระบุส่วนประกอบเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง (ความต้านทานแรงดึงสูงสุด Rm มากกว่าหรือเท่ากับ 1,000 MPa) ที่ฝังอยู่ในดินเปียก เป็นกรด หรือมีปฏิกิริยาทางไฟฟ้า วิศวกรต้องเผชิญกับกลไกความล้มเหลวที่เงียบงันและเป็นหายนะ:การแตกตัวของไฮโดรเจน (HE)และการแคร็กความเครียดที่เกิดจากไฮโดรเจน (HISC).

ซึ่งแตกต่างจากการกัดกร่อนบนพื้นผิวที่สม่ำเสมอ ซึ่งทำให้ฮาร์ดแวร์เสื่อมคุณภาพอย่างคาดการณ์ได้ตลอดหลายทศวรรษ การแตกตัวของไฮโดรเจนทำให้เกิดการแตกหักเปราะที่มีความเค้นต่ำอย่างกะทันหันโดยปราศจากการเสียรูปหรือการสูญเสียพื้นผิวโลหะที่วัดได้ล่วงหน้า สำหรับผู้ระบุทางธรณีเทคนิค ผู้อำนวยการฝ่ายจัดซื้อระบบสาธารณูปโภคด้านพลังงาน และผู้นำด้านโครงสร้าง การใช้ระเบียบวิธีทางโลหะวิทยาที่เข้มงวดในระหว่างการเลือกเหล็ก การดองด้วยกรด การชุบด้วยไฟฟ้า และการชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อนถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการรับประกันความสมบูรณ์ของพื้นผิวใต้ผิวดิน 50+ ปี

 

1. กลไกทางเคมีไฟฟ้าของการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจน

การแตกตัวของไฮโดรเจนเกิดขึ้นเมื่อไฮโดรเจนอะตอมมิก (H) แทรกซึมเข้าไปในโครงตาข่ายผลึกขนาดจิ๋วของเหล็กกำลังสูงภายใต้ความเค้นดึงที่ใช้:

อะตอมไฮโดรเจนเข้า:ในระหว่างการทำความสะอาดด้วยสารเคมี (การดองด้วยกรด) การชุบด้วยไฟฟ้า หรือผ่านวิถีปฏิกิริยาแคโทดในดินอิ่มตัวแบบไม่ใช้ออกซิเจน ไอออนไฮโดรเจนบนพื้นผิวจะรับอิเล็กตรอนเพื่อสร้างอะตอมไฮโดรเจน (H2) เนื่องจากอะตอมไฮโดรเจนมีรัศมีไอออนิกที่เล็กมาก มันจึงแพร่กระจายอย่างรวดเร็วไปยังช่องว่างระหว่างหน้าของเมทริกซ์เหล็ก

การดักจับตาข่ายที่ขับเคลื่อนด้วยความเครียด:เมื่อสมอดินแกนวางอยู่ภายใต้แรงตึงในแนวแกนสูง ความเข้มข้นของความเค้นระดับจุลภาคเกิดขึ้นรอบๆ สิ่งที่รวมภายใน ขอบเขตของเกรน และรัศมีของรูตเกลียว ไฮโดรเจนอะตอมเคลื่อนที่จะเคลื่อนตัวไปยังโซนความเครียดแรงดึงสูงเหล่านี้ โดยรวมตัวกันอีกครั้งเป็นก๊าซไฮโดรเจนโมเลกุล (H2) หรือพันธะเหล็กอะตอมอ่อนลง (แบบจำลองการลดการทำงานร่วมกัน)

การแตกหักแบบไมโครที่ร้ายแรง:เมื่อแรงดันระดับไมโครภายในก่อตัวขึ้นที่ขอบเขตของเกรน รอยแยกระดับจุลภาคจึงรวมตัวกัน เมื่อรอยแตกร้าวถึงความยาววิกฤต ส่วนเหล็กที่เหลือจะเกิดความล้มเหลวในการแตกแยกแบบข้ามแกรนูลหรือตามขอบเกรนอย่างกะทันหันที่โหลดต่ำกว่าความแข็งแรงครากของวัสดุมาก (). 

2. การป้องกันการผลิตและกระบวนการ: โปรโตคอลการอบและรูปทรงของเกลียว

การบรรเทาปัญหาการเปราะของไฮโดรเจนจำเป็นต้องมีการควบคุมอย่างเข้มงวดตลอดวงจรการตีขึ้นรูป การบำบัดทางเคมี และการชุบกัลวาไนซ์:

การอบไฮโดรเจนหลังการดองและการชุบสังกะสี: To remove trapped atomic hydrogen, high-strength threaded rods and drop-forged socket hardware (>1,000MPa) ต้องผ่านการอบแบบ de-embrittlement ทันทีหลังจากการทำความสะอาดหรือชุบกรด มาตรฐาน ISO 4042 และ ASTM B849 กำหนดให้ส่วนประกอบการอบในเตาเผาอุตสาหกรรมที่190⁰ซี ถึง 220⁰C เป็นเวลา 4 ถึง 24 ชั่วโมงโดยขับไฮโดรเจนเคลื่อนที่ออกจากตะแกรงเหล็กก่อนประกอบขั้นสุดท้าย

การรีดเกลียวแบบควบคุมหลังการรักษาความร้อน:ด้ายที่ตัดจะมีรอยน้ำตาเล็กๆ และรากที่แหลมคมซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดรวมความเครียดที่รุนแรง แท่งพุกรับแรงดึงสูงแบบม้วนเกลียวหลังจากการบำบัดความร้อนด้วยความร้อนจะทำให้เกิดแรงกดตกค้างที่โคนของเส้นด้าย ซึ่งยับยั้งการอพยพของไฮโดรเจนและการเริ่มต้นของรอยแตกได้อย่างมาก

การชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อนแบบควบคุม (ASTM A153 / ISO 1461):การใช้การทำความสะอาดด้วยแรงระเบิดเชิงกล (การขัดผิวด้วยการยิง) แทนการดองด้วยกรดเป็นเวลานานจะช่วยลดการสัมผัสไฮโดรเจนของอะตอมมิกก่อนที่จะจุ่มสังกะสีหลอมเหลว ซึ่งช่วยรักษาความเหนียวของโลหะวิทยา

3. เคมีการกัดกร่อนของดินและอันตรายจากการป้องกันมากเกินไปของแคโทด

เคมีของดินใต้ผิวดินมีบทบาทสองประการต่อความเสี่ยงของสมอไฮโดรเจนในระยะยาว:

สภาพแวดล้อมของแบคทีเรียลดซัลเฟตและไร้ออกซิเจน (SRB):ในดินเหนียวที่มีน้ำขังหรือดินอินทรีย์ SRB แบบไม่ใช้ออกซิเจนจะสร้างไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂ส) ซัลไฟด์ที่ละลายน้ำจะทำหน้าที่เป็น "พิษของไฮโดรเจน" ที่รุนแรง โดยป้องกันไม่ให้อะตอมไฮโดรเจนสร้างก๊าซบนพื้นผิวที่ไม่เป็นอันตราย และดันเข้าไปในแกนเหล็กโดยตรงแทน

การป้องกัน Cathodic โพลาไรซ์มากเกินไป:เมื่อไรสมอดินอินเทอร์เฟซกับระบบ Cathodic Protection (CP) ที่ใช้งานอยู่บนท่อฝังที่อยู่ติดกัน ตั้งค่าศักยภาพ CP เป็นลบเกินไป ( -1100 mV เทียบกับ Cu/CuSO₄) กระตุ้นให้เกิดการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนมากเกินไปที่พื้นผิวสมอ การระบุเหล็กกล้าไมโครอัลลอยด์ที่ได้มาตรฐานและมีความไวต่ำจะป้องกันการเปราะที่เกิดจาก CP

ถาม: อะไรคือความแตกต่างหลักระหว่างการกัดกร่อนของดินมาตรฐานและการแตกตัวของไฮโดรเจนในพุกดิน?A:การกัดกร่อนของดินมาตรฐานคือกระบวนการออกซิเดชันระดับพื้นผิวทีละน้อย ซึ่งจะลดหน้าตัดของเหล็กเมื่อเวลาผ่านไป การแตกตัวของไฮโดรเจนทำให้เกิดการแตกหักแบบเปราะอย่างกะทันหันและรุนแรงที่ระดับแรงตึงต่ำ โดยไม่มีการเสียรูปหรือสูญเสียส่วนต่างๆ ที่มองเห็นได้ของพื้นผิว

ถาม: กระบวนการผลิตใดบ้างที่จำเป็นเพื่อป้องกันการเปราะของไฮโดรเจนในแท่งพุกที่มีความแข็งแรงสูงA:ส่วนประกอบเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง (Rm มากกว่าหรือเท่ากับ 1,000MPa) ต้องผ่านการอบด้วยความร้อนเพื่อขจัดการเปราะที่ 190⁰ซี ถึง 220⁰C เป็นเวลา 4 ถึง 24 ชั่วโมงทันทีหลังจากการดองด้วยกรดหรือการชุบสังกะสีเพื่อไล่อะตอมไฮโดรเจนออกจากโครงตาข่ายโลหะ

ถาม: เหตุใดการรีดเกลียวหลังการอบร้อนจึงปรับปรุงความต้านทานต่อการเปราะของไฮโดรเจนA:การรีดเกลียวหลังจากการอบชุบด้วยความร้อนจะสร้างรัศมีรากของเกลียวที่โค้งมนและทำให้เกิดความเค้นตกค้างจากแรงอัดที่เป็นประโยชน์ตามพื้นผิว ซึ่งยับยั้งการเกิดรอยแตกขนาดเล็กและป้องกันการสะสมของไฮโดรเจนที่จุดรับแรงเค้น