Sub ce combinație de tensiuni reziduale de întindere de la tracțiune și lungimea coșului de includere a sulfurilor se defectează tubulatura de încălzire 316 din cauza fisurilor induse de hidrogen-în serviciul de apă acidă

Degradarea hidrogenului: efectele sinergice ale stresului și morfologiei incluziunii

Fisurarea-indusă de hidrogen (HIC) este un mod potențial de defecțiune pentru 316 tuburi de încălzire electrice învelite din oțel inoxidabil în medii apoase de servicii cu apă acidă-cu concentrații de hidrogen sulfurat (H2S) de peste 10 ppm, tipice proceselor de tratare a apei câmpurilor petroliere, încălzire geotermală și procese de rafinărie. HIC în 316 nu necesită polarizare anodică aplicată, spre deosebire de fisurarea prin coroziune sub tensiune prin clorură. HIC apare atunci când hidrogenul atomic, generat de reacția de coroziune ( Fe + H₂S → FeS + 2H ) difuzează în oțel și se recombină la interfețe de incluziune ne-metalice, creând presiune internă care determină propagarea fisurilor . Susceptibilitatea la HIC este controlată de doi parametri, mărimea tensiunii reziduale de întindere care rezultă din tragerea sau îndoirea tubului și lungimea și orientarea incluziunilor stringerului de sulfură de mangan (MnS). HIC începe în apă acidă la 80-100 de grade între săptămâni și luni dacă tensiunea reziduală de întindere depășește aproximativ 150 MPa și lungimea stringerului de includere depășește 50 µm într-o direcție perpendiculară pe direcția tensiunii. Acest articol estimează combinațiile de chei pentru defecțiunea HIC și oferă sugestii pentru specificațiile materialelor pentru serviciul acru.

Mecanismul de fisurare indus de hidrogen-a oțelului inoxidabil austenitic 316

316 corodează în sulfură feroasă ( FeS ) și hidrogen atomic în apa acidă . H2S otrăvește reacția de recombinare a hidrogenului (2H → H2) și, prin urmare, hidrogenul atomic rămâne pe suprafața metalului și difuzează în rețeaua austenitică. Hidrogenul difuzează rapid de-a lungul granițelor de cereale și este prins în incluziunile nemetalice, în special în liniile MnS alungite, unde este recombinat cu hidrogenul molecular. Presiunea internă poate fi de până la 1.000 MPa sau mai mult, suficientă pentru a induce fisurarea în matricea înconjurătoare chiar și în absența oricărui stres extern. În prezența unei tensiuni reziduale de tracțiune, fractura se propagă de-a lungul interfeței dintre incluziune și matrice, conectând incluziunile învecinate într-un canal de fisură continuu. Apariția perforației din cauza HIC necesită coincidența a trei condiții: (1) o sursă de hidrogen (concentrație de H 2 S peste 10 ppm, pH sub 6 sau ambele), (2) incluziuni MnS alungite orientate perpendicular pe direcția tensiunii de tracțiune maxime și (3) tensiuni reziduale de tracțiune peste pragul de propagare a fisurii (aproximativ).

80 de grade în praguri de inițiere HIC cuantificate cu apă acră

Testarea sistematică a tuburilor 316 cu niveluri de stres rezidual controlat și lungimi cuantificate ale stringerului de includere în soluția A NACE TM0177 (5% NaCl + 0.5% acid acetic, saturat cu H2S, pH~3,5) a stabilit combinațiile cheie pentru începerea HIC în 720 de ore (30 de grade) (la 80 de grade).

Residual Tensile Stress (MPa) Maximum MnS Stringer Length (µm) Stringer Orientation Relative to Stress HIC Initiation Time (hours) Crack Depth after 1,000 hours (µm) Time to Perforation (1.5 mm wall) Recommended for Sour Service (H₂S >10 ppm)<50 Any Any No HIC 0 >10 ani Da 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 ani Acceptabil
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 ani Acceptabil 100-150 50-100 Perpendicular 500-1,000 50-150 5-10 ani Marginal 100-150 100-200 Perpendicular 200-500 150-300 2-5 ani Nerecomandat
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Perpendicular 100-200 200-400 1-3 aniNerecomandat
150-200 100-200 Perpendicular 50-100 400-800 6-18 luni Neadecvat200 50-100 Perpendicular<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 Perpendicular<50 >800 <3 months Not acceptable
Efectul lucrului la rece și al direcției de tragere asupra susceptibilității HIC

În timpul procesului de extragere a tubului 316, incluziunile MnS sunt aliniate paralel cu axa tubului. Tensiunea reziduală maximă la tracțiune în timpul tragerii pentru o manta de încălzire este, de asemenea, axială (de-a lungul lungimii tubului). Dacă incluziunile sunt alungite paralel cu direcția tensiunii, atunci fisura trebuie să se propage de-a lungul interfeței matricei de incluziune-care nu este perpendiculară pe tensiune-, rezultând o sensibilitate mai mică la HIC. Cu toate acestea, operațiile de îndoire (crearea tubului U-) generează tensiuni reziduale de tracțiune în direcția cercului la raza exterioară de îndoire. Acum, dacă incluziunile aliniate-desenului sunt orientate normal la această tensiune a cercului, susceptibilitatea HIC este mult îmbunătățită. Încălzitoarele ar trebui să fie specificate exclusiv cu tuburi drepte (fără îndoituri) sau cu tensiunea de îndoire atenuată după formare, pentru serviciul acru. În plus, procesele de fabricare a oțelului care au ca rezultat incluziuni globulare în loc de stringer (rafinare AOD sau VAR, așa cum este menționat la articolul 24) limitează, de asemenea, lungimea maximă a stringerului sub 50 µm, chiar și la același nivel de sulf.

Specificații practice pentru încălzitoarele de serviciu cu apă acidă 316

Pentru serviciul în apă care conține H2S peste 10 ppm sau cu pH sub 6,0 la temperaturi mai mari de 60 de grade, următorii parametri sunt sugerați pentru încălzitoarele cu carcasă 316:

Tensiune maximă reziduală de întindere după toate operațiunile de formare: 100 MPa (verificat prin difracție de raze X-sau prin test de îndoire U-ASTM G38 fără fisurare după 100 de ore în soluția NACE TM0177)

Lungimea maximă a cordonului MnS: 50 µm (în conformitate cu ASTM E45, metoda A, nivel de severitate Mai mic sau egal cu 1,0 pentru sulfuri de tip A)

Concentrația maximă de sulf în oțel: 0,005% (50ppm)

Practică de fabricare a oțelului: AOD rafinat sau superior (VAR/ESR de preferat pentru servicii importante)

Reducerea tensiunilor post-îndoire: 400-450 de grade timp de 1 oră pentru orice rază de îndoire R/D < 5,0

Duritate: Max 22 HRC (220 HV) pentru o absorbție redusă de hidrogen

Dacă oricare dintre aceste standarde nu poate fi atins, se recomandă oțel inoxidabil duplex 2205 (care are o rezistență HIC substanțial mai mare) sau aliaj 825.

Identificarea câmpului a erorilor induse de HIC-

În HIC în 316 învelișuri de încălzire, se dezvoltă fisuri tipice plate, în trepte, în trepte, care se propagă paralel cu axa tubului (dacă incluziunile sunt axiale) sau circumferențiale (dacă este predominantă stresul cercului). Fisurile multiple paralele sunt tipice și adesea însoțite de vezicule pe suprafața învelișului, umflături localizate acolo unde metalul a fost distorsionat de presiunea internă a hidrogenului. Suprafața de fractură prezintă o ductilitate scăzută și poate prezenta un aspect de „-solanță de pește” sau „scăriță” atunci când crăpăturile s-au îmbinat cu liniile de incluziune adiacente. Studiul EDS al suprafeței de fractură arată sulful din incluziunile originale de MnS și sulful suplimentar din procesul de coroziune. Dacă aceste trăsături sunt absente în încălzitoarele defectuoase în apă acidă, atunci SCC de clorură sau pitting ar trebui examinate ca posibile moduri de defecțiune.

Concluzie: Managementul stresului și morfologia incluziunii pentru serviciul acru

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 de grade), fisurarea indusă de hidrogen-se dezvoltă atunci când tensiunea reziduală de tracțiune depășește 100-150 MPa și corzile alungite de incluziune MnS depășesc 50-100 µm în lungime orientate perpendicular pe direcția tensiunii. Tensiunea reziduală axială datorată tragerii combinată cu incluziuni paralele la axă este mai puțin dăunătoare decât tensiunea reziduală a cercului datorită îndoirii care acționează asupra incluziunilor aliniate axial. Cadrul descris aici leagă stresul rezidual și lungimea incluziunii cu perioadele de inițiere a HIC măsurabile. Cu acest cadru, cumpărătorul poate selecta tubulatura 316 pentru a rezista fragilizării hidrogenului în cea mai ostilă apă acidă.