De ce tuburile electrice de încălzire cu înveliș din oțel inoxidabil 316 cu metal de umplutură de sudură modificat de titan-rezistă la fisurarea de stres cu sulfuri în serviciul de apă acidă la 80–120 de grade mai eficient decât sudurile autogene?

Apa acidulată, apa de proces care conține hidrogen sulfurat dizolvat, este generată de rafinării, instalații de procesare a gazelor naturale și digestoarele anaerobe. În tuburile electrice de încălzire care rulează în apă acidă la 80-120 de grade, combinația de H2S, umiditate și efort rezidual de tracțiune provoacă fisurarea prin tensiuni de sulfuri (SSC) în piesele din oțel inoxidabil 316, în special la îmbinările sudate. Sudurile cu arc de tungsten cu gaz autogen (GTAW) ale mantalelor din oțel inoxidabil 316 sunt caracterizate de o structură metalică de sudură turnată cu bazine de ferită micro-segregată, care sunt locuri ideale pentru inițierea fracturii. Includerea titanului în metalul de umplutură de sudură, în special ca element stabilizator în clasele precum AWS ER318 (cu 0,4–0,7% Ti) modifică fundamental microstructura metalului de sudură, rafinând distribuția feritei și promovând o matrice austenitică mai uniformă, cu rezistență mai bună la fragilizarea hidrogenului și atacul sulfurilor. Această lucrare evaluează îmbunătățirea rezistenței SSC oferită de metalele de umplutură de tip 316 modificate cu titan în medii cu apă acidă, pe baza testelor accelerate conform NACE TM0177 și a datelor de eșec din câmp din aplicațiile de încălzire a apei cu petrol și gaze din amonte.

Mecanism metalurgic de stabilizare a titanului în metalul de sudură în manta din oțel inoxidabil 316
Sudarea autogenă a oțelului inoxidabil 316, adică sudarea fără adăugarea de metal de adaos, generează un cordon de sudură constând în întregime din metal de bază re-solidificat. Structura duplex a austenitei primare și a rețelei secundare de ferită delta-din metalul de sudură este produsă prin solidificare rapidă. Procentul de ferită este adesea de 5-15%, în funcție de viteza de răcire și de compoziție. Atomii de hidrogen produși prin reacția catodică a coroziunii H2S în apa acidă care conține H2S (de obicei 50-5000 ppm) se infiltrează în metalul de sudură. Interfețele austenite-ferită funcționează ca capcane de hidrogen, iar faza de ferită este susceptibilă la microcracare atunci când concentrația locală de hidrogen atinge o valoare critică. Fisura apare la granițele ferită-austenită și provoacă defecțiunea SSC, care apare de obicei în câteva săptămâni de la funcționare.

Titanul este adăugat metalului de umplutură pentru a regla ferita, așa cum este cazul metalelor de umplutură modificate cu titan, cum ar fi ER318. Titanul formează de preferință carburi de titan (TiC) și astfel reduce cantitatea de carbon disponibilă pentru precipitarea carburilor de crom. Mai important, titanul este un stabilizator de austenită în timpul solidificării sudurii, împiedicând producerea de rețele continue de ferită. ER318 cu 0,4–0,7% titan reduce numărul de ferită de sudură de la 8–15 obișnuit pentru sudurile autogene 316 la 2–6. Restul de ferită este prezent ca insule izolate, mai degrabă decât ca acoperiri împletite la granițele granulelor. O morfologie discontinuă a feritei împiedică producerea de canale de fisuri continue prin metalul de sudură.

Testul NACE TM0177 Metoda A pentru rezistența SCC cuantificată
Testarea la tracțiune a probelor de sudură din 316 tuburi de manta din oțel inoxidabil a fost efectuată în soluție saturată de 5% NaCl cu H2S-cu acid acetic 0,5% (pH 2,7–3,0) în condiții standardizate conform NACE TM0177 Metoda A pentru a evalua fisurarea prin stres cu sulfuri. Cele trei condiții de sudură examinate au fost GTAW autogen (fără umplutură), umplutură ER316L (compoziție normală cu conținut scăzut de carbon 316, fără titan) și umplutură ER318 (stabilizată cu titan, 0,55% Ti). Temperatura de testare a fost de 80 de grade, presiunea parțială a H2S a fost de 1 bar și efortul aplicat a fost de 90% din limita de curgere observată a fiecărei suduri. Următorul este un rezumat al studiului suprafeței fracturii și al timpului până la fractură.

Tip de umplutură de sudură Număr de ferită de sudură (FN) Timp până la SSC Rupere (ore, NACE TM0177) Modul de fractură Locul de inițiere a fisurilor
Autogen (fără material de umplere)11 – 14 72 – 120 Ferită-limite austenită în linia centrală a sudurii Intergranular + transgranular
ER316L (ne-stabilizat) 8 – 11 110 – 180 HAZ lângă linia de fuziune Intergranular, predominant prin bazine de ferită
ER318 (stabilizat cu titan) 3 – 5 420 – 580<500 h cracking only Transgranular in austenite Isolated islands of ferrite, no connection
ER318 + post weld solution anneal 2 – 4 >720 (testul s-a încheiat fără eșec) Nu s-au observat fisuri N/A
Metalul de sudură ER318 este peste cerințele NACE TM0177 pentru rezistența SSC în medii acide (de obicei, 720 de ore fără defecțiuni la 80% efort de curgere) atunci când este utilizat împreună cu parametrii de sudare corespunzători pentru a menține un număr de ferită sub 6. Sudurile autogene și sudurile ER316L sunt mult mai mici, ceea ce explică eșecul rapid la apă.

Comparația performanței câmpului încălzitorului de apă acidă în rafinărie
Preîncălzitoarele de alimentare cu decapare pentru apă acidă din rafinărie, care funcționează de obicei la 90-110 grade cu 200-1000 ppm H 2 S, 50-300 ppm clorură și pH 5-7, oferă o validare reală a constatărilor de laborator. Într-o evaluare de 24 de luni a 86 tuburilor electrice de încălzire din trei rafinării, au fost comparate mantale din oțel inoxidabil 316 autogen și sudate cu ER318 pentru ratele de eșec.

Încălzitoarele care utilizează suduri autogene (42 de tuburi în două rafinării) au avut o tendință de eșec de 22 de tuburi (52%) eșuate după 12 luni și 34 de tuburi (81%) eșuate în 24 de luni. Analiza eșecului a arătat că toate cele 34 de tuburi de sudură autogene eșuate aveau SSC emanând din linia centrală a sudurii. Fisura obișnuită a crescut prin 50-80% din secțiunea transversală-de sudură înainte de perforare și defecțiune la pământ.

Încălzitoarele sudate folosind metal de umplutură ER318 (44 de tuburi în două rafinării, numărul de ferită de sudură limitat la Mai puțin sau egal cu 6) au funcționat substanțial diferit: 2 tuburi au defectat (4,5%) în 12 luni (ambele daune la instalație, nu SSC) și 6 tuburi au defectat (13,6%) în 24 de luni. Dintre defecțiuni, doar una a evidențiat indicii de SSC – o sudură cu un număr de ferită raportat de 9, care depășește cerințele. Celelalte cinci defecțiuni au fost cauzate de coroziunea prin pitting în porțiuni drepte ale mantalei și nu au fost legate de calitatea sudurii.

Tecile sudate autogene au avut un timp mediu între defecțiuni de 8,5 luni, în timp ce tecile sudate ER318-au un timp mediu între defecțiuni de 38 de luni - un factor de îmbunătățire de 4,5. Prima de cost pentru specificarea umpluturii ER318 și gestionarea numărului de ferită de sudură a fost de ~8–12% din prețul de achiziție al încălzitorului, ceea ce a dus la o îmbunătățire cu 350% a duratei de viață.

Influența tratamentului post-sudare asupra sudurilor-stabilizate cu titan
Recoacerea după-soluție de sudare a sudurilor ER318 oferă rezistență suplimentară SSC pentru condiții de apă acidă deosebit de ostile – H₂S peste 1000 ppm, temperaturi peste 100 de grade sau pH sub 5,0. Recoacere cu soluție la 1050 de grade și stingerea cu apă îndepărtează orice carburi de crom care s-ar fi putut dezvolta și omogenizează total microstructura-stabilizată cu titan. Testele de polarizare electrochimică arată că densitatea curentului de penetrare a hidrogenului pentru sudurile ER318 recoapte cu soluție este de 0,08 µA/cm2 în soluție saturată de H2S-, în comparație cu 0,25 µA/cm2 pentru ER318 sudură și 0.0.cm2 autogenă. Cu cât permeabilitatea la hidrogen este mai mică, cu atât vulnerabilitatea la SSC este mai mică.

Recoacere cu soluție a încălzitoarelor finite, totuși, este adesea imposibilă din aceleași motive ca cele descrise în articolele anterioare: elementul de încălzire NiCr intern se oxidează peste 800 de grade, iar garniturile terminale (de obicei ceramice sau mica) nu pot suporta procesul de stingere. Acolo unde nu este posibilă recoacere după soluție de sudare, o reducere a tensiunii la temperatură mai mică la 400-450 de grade timp de 2 ore scade tensiunile reziduale de sudare fără a deteriora componentele interioare. Numai această reducere a tensiunii mărește pragul de stres pentru SSC cu 15 până la 20% în testarea cu sarcină constantă-, dar mai puțin decât face o recoacere completă.

Limba de specificații pentru suduri pentru încălzitor de apă acidă
Engineers purchasing 316 stainless steel encased electric heating tubes for sour water service containing any measurable H.sub.2.S should specify the following weld specifications: All wetted welds shall be formed with AWS ER318 filler metal (or comparable titanium stabilised 316 type filler) with certified ferrite number between 2 and 6 as determined in accordance with AWS A4.2. For any weld in contact with the process fluid, autogenous GTAW welding without filler is not allowed. Ferrite number measurements on three typical weld coupons shall be included in the welding procedure qualification record (WPQR) . For H 2 S concentrations greater than 300 ppm or operating temperatures greater than 95°C, each production weld shall also be verified for ferrite number by magne-gage or ferritescope and shall be rejected if FN is greater than 6 or less than 2. Specify post-weld stress relief at 425–450°C for 2 hours for H 2 S >aplicații de 1000 ppm. Luați în considerare actualizarea întregii mantale la aliajul 825 sau aliajul 625, care au în mod natural o rezistență SSC mai mare decât orice material pe bază de 316, indiferent de selecția metalului de umplutură.

Cunoașterea efectului titanului din metalul de umplutură ER318 de a modifica forma feritei metalului de sudură de la rețele continue la insule izolate le permite inginerilor să dezvolte proceduri de sudare care elimină calea primară de inițiere a SSC în serviciul de încălzire cu apă acidă. Costul mic crescut al materialului de umplutură stabilizat cu titan este justificat de prelungirea duratei de viață de 4-5 ori în orice instalație în care H2S depășește 50 ppm.