โครงสร้างจุลภาค (อัลฟ่ากับอัลฟ่า-เบต้า) ของท่อไทเทเนียมส่งผลต่อความต้านทานต่อไฮโดรเจน-ที่ทำให้เกิดการแตกร้าวในระบบป้องกันแคโทดิกอย่างไร

สำหรับวิศวกรกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับเครื่องทำความร้อนแบบแช่ไทเทเนียมในระบบป้องกันแคโทด เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนน้ำทะเล ท่อฝัง หรือเซลล์อิเล็กโทรไลต์ โครงสร้างจุลภาคของท่อไทเทเนียมจะส่งผลต่อความไวต่อการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจน (HIC) ไทเทเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ (เกรด 1, 2 หรือ 3) มีโครงสร้างจุลภาคระยะอัลฟ่า- (บรรจุปิดหกเหลี่ยม-) อัลฟ่า-โลหะผสมเบต้า (เกรด 5, Ti-6Al-4V) มีเฟสเบต้า 6–10% (ตัวถัง-ลูกบาศก์ตรงกลาง) เฟสเบต้ามีความสามารถในการละลายไฮโดรเจนได้สูงกว่าและมีการแพร่กระจายของไฮโดรเจนต่ำกว่าเฟสอัลฟา ในระบบป้องกันแคโทดซึ่งมีไฮโดรเจนเกิดขึ้นที่พื้นผิวไทเทเนียม อัลลอยด์อัลฟ่า-เบตามีความต้านทานต่อ HIC สูงกว่ามาก เนื่องจากเฟสเบตาเป็นตัวดักไฮโดรเจนและป้องกันการสะสมความเข้มข้นวิกฤตของไฮโดรเจนที่ขอบเขตเกรน การทดสอบเชิงปริมาณระบุว่าเกรด 5 (อัลฟา-เบต้า) สามารถดูดซับไฮโดรเจนได้มากกว่าเกรด 2 (อัลฟา) ถึง 3-5 เท่า ก่อนที่จะแตกสลายภายใต้สถานการณ์แคโทดเดียวกัน

พื้นฐานทางจุลภาคของการต้านทานไฮโดรเจนในโลหะผสมไททาเนียม
การแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจน-เป็นผลมาจากอะตอมไฮโดรเจนที่แพร่กระจายเข้าไปในโครงตาข่ายของไทเทเนียมและตกตะกอนเป็นไทเทเนียมไฮไดรด์ที่เปราะ (TiHx) การก่อตัวของไฮไดรด์ทำให้เกิดการขยายตัวของปริมาตร (ประมาณ 17%) และความตึงเครียดภายในซึ่งทำให้เกิดรอยแยก ในอัลฟาไทเทเนียม (เกรด 2) การแพร่กระจายของไฮโดรเจนมีสูง (ประมาณ 10 -6 ซม. 2 /วินาที ที่ 25 องศา ) และขีดจำกัดความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนก่อนการตกตะกอนของไฮไดรด์จะต่ำ (ประมาณ 150 ppmw) ไททาเนียมอัลฟ่าเกรด 5-มีความสามารถในการละลายไฮโดรเจนสูงกว่ามาก (สูงถึง 1,000 ppmw) ในระยะเบต้า แต่มีการแพร่กระจายต่ำกว่า (ประมาณ 10-8 cm2/s ที่ 25 องศา ) ไฮโดรเจนที่ถูกดูดซับที่พื้นผิวจะแพร่กระจายผ่านเฟสอัลฟา-จนกระทั่งไปพบกับอนุภาคเฟสเบตา อนุภาคบีตาจับและดูดซับไฮโดรเจนเพื่อป้องกันไม่ให้มีความเข้มข้นวิกฤตที่ขอบเขตเกรนอัลฟา

การทดสอบการซึมผ่านของไฮโดรเจนเชิงปริมาณภายใต้สภาวะการชาร์จแบบแคโทด (-1.0 V SCE ใน 3.5% NaCl) เผยให้เห็นว่าไทเทเนียมเกรด 5 ใช้เวลา 3,000-5,000 ชั่วโมงในการสัมผัสกับแคโทดอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ได้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนที่ 500 ppmw ในขณะที่ไทเทเนียมเกรด 2 สูงถึง 150 ppmw (วิกฤตสำหรับการก่อตัวของไฮไดรด์) ใน 500-800 ชั่วโมง เวลาในการแตกร้าวสำหรับชั้นประถมศึกษาปีที่ 5 จะนานกว่าประมาณ 5-8 เท่าเมื่อเทียบกับชั้นประถมศึกษาปีที่ 2 ภายใต้เงื่อนไขการป้องกันแคโทดที่เหมือนกัน

ผลของโครงสร้างจุลภาคต่อแบบจำลองความต้านทานการแตกตัวของไฮโดรเจน
โครงสร้างจุลภาคเกรดไทเทเนียม การแพร่กระจายของไฮโดรเจน (ซม.²/วินาที, 25 องศา ) ความเข้มข้นของ H ที่สำคัญสำหรับการแคร็ก (ppmw) ความต้านทาน HIC, เวลาสัมพัทธ์ในการแคร็ก (ชั่วโมง) ที่ -1.0 V SCE
ชั้นประถมศึกษาปีที่ 1 (เชิงพาณิชย์บริสุทธิ์) อัลฟ่า 1.2 × 10⁻⁶ 120-150 400-700 1.0 × (พื้นฐาน)
ระดับ 2 (บริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์) อัลฟ่า 1.0×10-6 150–200 500–800 1.2× เกรด 3 (บริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์) อัลฟ่า 0.9×10-6 150–200 600–900 1.4×
เกรด 7 (Ti-0.15Pd) อัลฟ่า 1.0x10-6 200-300 800-1,200 1.8×
เกรด 5 (Ti-6Al-4V) อัลฟ่า-เบต้า (6–10% เบต้า) 0.5 × 10⁻⁸ (เฟสเบต้า) 500–1,000 3,000–5,000 6.0× เกรด 9 (Ti-3Al-2.5V) อัลฟ่า-เบต้า (5–8% เบต้า) 1.0 × 10⁻⁸ 400–800 2,000–4,000 4.0×
เกรด 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) อัลฟ่า 0.8×106 250-350 1,000-1,500 2.2×
คู่มือการเลือกโครงสร้างจุลภาคสำหรับการป้องกันแคโทดตามสถานการณ์
สภาพและความรุนแรงของการป้องกัน Cathodic เกรดไทเทเนียมที่แนะนำ (โครงสร้างจุลภาค) เหตุผลหลักเกรด 2 v. อายุการใช้งานที่คาดหวัง (ปี)
การป้องกันแคโทดิกระดับอ่อน (ศักยภาพ −0.8 V SCE, น้ำทะเล, อุณหภูมิห้อง) ระดับ 2 (อัลฟา) เส้นพื้นฐาน (5-10 ปี) อัตราการดูดซึมไฮโดรเจนต่ำ อัลฟ่าอย่างเพียงพอ
การป้องกันแคโทดปานกลาง (ศักย์ -1.0 V SCE, น้ำทะเล, 50 องศา ) เกรด 7 (อัลฟาที่มี Pd) 1.5-2× เกรด 2 แพลเลเดียมลดการดูดซับไฮโดรเจนโดยการเปลี่ยนศักยภาพของพื้นผิว
การป้องกันแคโทดขั้นรุนแรง (ศักยภาพ -1.2 V SCE, การเปลี่ยนขั้วของแคโทด, 80 องศา ) เกรด 5 (อัลฟา-เบต้า)4–6× เฟสเบต้าของเกรด 2 ดักจับไฮโดรเจน ป้องกันการแตกร้าว สำคัญต่อการมีอายุยืนยาว
การป้องกันแคโทดในปัจจุบันที่น่าประทับใจ (ตัวเรือ แพลตฟอร์มนอกชายฝั่ง) ต้องใช้เกรด 5 หรือเกรด 9 5–8x เกรด 2 อัลฟ่า-เบต้า ใน 1 ถึง 2 ปี HIC จะล้มเหลวในชั้นประถมศึกษาปีที่ 2
แซคริฟิเชียลแอโนด CP (แอโนดสังกะสีหรืออะลูมิเนียม ศักยภาพ -0.9 ถึง -1.0 V)2–3× โลหะผสมเกรด 2 ของแพลเลเดียมให้การป้องกันที่เพียงพอ ไม่จำเป็นต้องใช้อัลฟาเบต้าเกรด 7 (อัลฟา)
การป้องกันแคโทดในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์เปรี้ยว (H2S) เกรด 5 (การทดสอบ HIC) (อัลฟา-เบต้า)H2S ทำให้เกิดการดึงไฮโดรเจน ต้องการบริการเปรี้ยวทั้งหมด เฉพาะอัลลอยด์อัลฟ่า-เบต้าที่ผ่านการรับรอง NACE MR0175 เท่านั้น
ด้านวิศวกรรมของเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมอัลฟ่า-
เกรด 5 (Ti-6Al-4V) มีความต้านทานต่อการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจนได้ดีกว่า แต่ก็มีข้อจำกัดมากมายสำหรับการใช้งานเครื่องทำความร้อน เกรด 5 มีค่าการนำความร้อนประมาณ 6.7 W/m·K เทียบกับ 7.5 W/m·K สำหรับเกรด 2 ซึ่งลดลง 10% ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้พื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อยสำหรับกำลังที่เท่ากัน เหล็กเกรด 5 มีราคาแพงกว่ามาก (~2-3× เกรด 2) และมีความเหนียวน้อยกว่า ทำให้การดัดเย็นทำได้ยากขึ้น สำหรับการใช้งานการป้องกันแคโทดส่วนใหญ่ ซึ่งมีศักยภาพไม่เกิน -1.0 V SCE เกรด 7 (Ti-0.15Pd) มอบการประนีประนอมที่คุ้มต้นทุน แพลเลเดียมเปลี่ยนศักยภาพของพื้นผิวในบริเวณที่วิวัฒนาการของไฮโดรเจนถูกระงับ ส่งผลให้การดูดซึมลดลงโดยไม่ต้องใช้เฟสเบต้า สำหรับการป้องกันแคโทดขั้นรุนแรง (น้อยกว่า -1.1 VSCE) หรือบริการที่มีฤทธิ์เปรี้ยว (มี H₂S อยู่) ต้องใช้โลหะผสมอัลฟาเบตาเกรด 5 หรือเกรด 9

สรุป: โครงสร้างจุลภาคอัลฟ่า-เบต้าให้ความต้านทาน HIC มากกว่า 4-6 เท่า
โครงสร้างจุลภาคของท่อไทเทเนียมเป็นปัจจัยสำคัญในการต้านทานต่อการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจนในระบบป้องกันแคโทด ไทเทเนียมเฟสอัลฟ่า- (เกรด 1, 2, 3) มีการแพร่กระจายอย่างมากสำหรับไฮโดรเจนและมีความสามารถในการละลายต่ำ ส่งผลให้เกิดการผลิตไฮไดรด์อย่างรวดเร็วและแตกหักเมื่อมีปริมาณไฮโดรเจนมากกว่า 150–200 ppmw โลหะผสมอัลฟ่า-เบต้า (เกรด 5, Ti-6Al-4V) มีอนุภาคเฟสเบต้าที่จับไฮโดรเจนเพื่อไม่ให้สะสมที่ขอบเขตของเกรน สามารถทนต่อความเข้มข้นของไฮโดรเจนได้สูงถึง 500-1,000 ppmw โดยไม่แตกร้าว ภายใต้สภาวะการป้องกันแคโทดขั้นรุนแรง (ศักยภาพต่ำกว่า -1.0 V SCE อุณหภูมิที่มากเกินไปหรือการให้บริการที่มีรสเปรี้ยว) อายุการใช้งานของเกรด 5 คือ 4-6 เท่าของเกรด 2 เมื่อระบุเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมสำหรับการใช้งานที่ต้องมีการป้องกันแคโทด เช่น ระบบน้ำทะเล อุปกรณ์ฝังอยู่ หรือเซลล์อิเล็กโทรไลต์ การจัดหาศักยภาพของแคโทด อุณหภูมิ และการมีอยู่ของ H₂S ที่คาดหวังให้กับซัพพลายเออร์จะช่วยให้ซัพพลายเออร์สามารถเลือกโครงสร้างจุลภาคที่ถูกต้อง (อัลฟากับอัลฟาเบต้า) เพื่อป้องกันไม่ให้ ความล้มเหลวในการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจน