Pod kojom kombinacijom vlačnog zaostalog naprezanja od izvlačenja i duljine užeta inkluzije sulfida dolazi do kvara cijevi grijača 316 zbog vodika-potaknutog pucanja u kiseloj vodi

Vodikova krtost: sinergijski učinci naprezanja i morfologija inkluzije

Vodikom-inducirano pucanje (HIC) potencijalni je način kvara za električne grijaće cijevi 316 obložene nehrđajućim čelikom u-vodenim okruženjima kisele vode s koncentracijama sumporovodika (H2S) većim od 10 ppm, što je tipično za obradu vode naftnih polja, geotermalno grijanje i rafinerijske procese. HIC u 316 ne zahtijeva primijenjenu anodnu polarizaciju, za razliku od kloridnog korozijskog pucanja. HIC nastaje kada atomski vodik, generiran reakcijom korozije (Fe + H₂S → FeS + 2H) difundira u čelik i rekombinira se na sučeljima ne-metalnih inkluzija, stvarajući unutarnji tlak koji pokreće širenje pukotine. Osjetljivost na HIC kontroliraju dva parametra, veličina vlačnog zaostalog naprezanja koja proizlazi iz izvlačenja ili savijanja cijevi te duljina i orijentacija inkluzija mangan sulfida (MnS). HIC počinje u kiseloj vodi na 80-100 stupnjeva između tjedana i mjeseci ako zaostalo vlačno naprezanje premašuje oko 150 MPa, a duljina inkluzijske žice prelazi 50 µm u smjeru okomitom na smjer naprezanja. Ovaj članak procjenjuje ključne kombinacije za kvar HIC-a i daje prijedloge za specifikaciju materijala za kiselu uslugu.

Vodikom-inducirani mehanizam pucanja austenitnog nehrđajućeg čelika 316

316 korodira na željezni sulfid (FeS) i atomski vodik u kiseloj vodi. H2S truje reakciju rekombinacije vodika (2H → H2) i stoga atomski vodik ostaje na površini metala i difundira u austenitnu rešetku. Vodik brzo difundira duž granica zrna i biva zarobljen na ne-metalnim inkluzijama, posebno izduženim MnS žicama, gdje se rekombinira u molekularni vodik. Unutarnji tlak može biti visok do 1000 MPa ili više, dovoljno da izazove pucanje u okolnoj matrici čak i u odsutnosti bilo kakvog vanjskog naprezanja. U prisutnosti vlačnog zaostalog naprezanja, lom se širi duž sučelja između inkluzije i matrice, povezujući susjedne inkluzije u kontinuirani kanal pukotine. Pojava perforacije zbog HIC-a zahtijeva podudarnost tri uvjeta: (1) izvor vodika (koncentracija H 2 S iznad 10 ppm, pH ispod 6 ili oboje), (2) izdužene inkluzije MnS orijentirane okomito na smjer maksimalnog vlačnog naprezanja i (3) zaostalo vlačno naprezanje iznad praga za širenje pukotine (približno 100-150 MPa za 316).

80 stupnjeva u kiseloj vodi Kvantificirani HIC početni pragovi

Sustavnim testiranjem cijevi 316 s kontroliranim razinama zaostalog naprezanja i kvantificiranim duljinama inkluzijskih žica u NACE TM0177 otopini A (5% NaCl + 0.5% octene kiseline, zasićeno H2S, pH~3,5) utvrđene su ključne kombinacije za početak HIC-a za 720 sati (30 dana) (na 80 stupnjeva).

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 godina Da 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 godina prihvatljivo
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 godina Prihvatljivo 100-150 50-100 Okomito 500-1,000 50-150 5-10 godina Granično 100-150 100-200 Okomito 200-500 150-300 2-5 godina Nije preporučljivo
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Okomito 100-200 200-400 1-3 godina Ne preporučuje se
150-200 100-200 Okomito 50-100 400-800 6-18 mjeseci Nije prikladno200 50-100 Okomito<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 Okomito<50 >800 <3 months Not acceptable
Učinak hladnog rada i smjera izvlačenja na osjetljivost na HIC

Tijekom procesa izvlačenja cijevi 316, uključci MnS su poravnati paralelno s osi cijevi. Maksimalni vlačni zaostali napon tijekom izvlačenja za plašt grijača također je aksijalan (duž duljine cijevi). Ako su inkluzije izdužene paralelno sa smjerom naprezanja, tada se pukotina mora širiti duž sučelja matrice inkluzije-koja nije okomita na naprezanje- što rezultira manjom osjetljivošću na HIC. Međutim, operacije savijanja (stvaranje U-cijevi) stvaraju vlačna zaostala naprezanja u smjeru obruča na vanjskom radijusu savijanja. Ako su crtež-poravnane inkluzije orijentirane normalno na ovu obručnu napetost, osjetljivost na HIC je znatno povećana. Grijači trebaju biti specificirani isključivo s ravnim cijevima (bez savijanja) ili sa smanjenim naprezanjem na savijanje nakon oblikovanja, za kiselu upotrebu. Osim toga, procesi proizvodnje čelika koji rezultiraju globularnim uključcima umjesto stringera (AOD ili VAR rafiniranje kako je navedeno u članku 24.) također ograničavaju maksimalnu duljinu stringera ispod 50 µm, čak i pri istoj razini sumpora.

Praktične specifikacije za servisne grijače kisele vode 316

Za rad u vodi koja sadrži H2S više od 10 ppm ili s pH ispod 6,0 ​​na temperaturama višim od 60 stupnjeva, predlažu se sljedeći parametri za 316 zatvorene grijače:

Maksimalno zaostalo vlačno naprezanje nakon svih operacija oblikovanja: 100 MPa (potvrđeno difrakcijom X-zraka ili ASTM G38 U-testom savijanja bez pucanja nakon 100 sati u otopini NACE TM0177)

Najveća duljina MnS žice: 50 µm (prema ASTM E45, metoda A, razina ozbiljnosti manja ili jednaka 1,0 za sulfide tipa A)

Maksimalna koncentracija sumpora u čeliku: 0,005% (50ppm)

Praksa proizvodnje čelika: AOD rafiniran ili superioran (VAR/ESR poželjno za važnu uslugu)

Ublažavanje naprezanja nakon-savijanja: 400-450 stupnjeva tijekom 1 sata za bilo koji radijus savijanja R/D < 5,0

Tvrdoća: Max 22 HRC (220 HV) za smanjenu apsorpciju vodika

Ako se bilo koji od ovih standarda ne može postići, preporučuje se dvostruki nehrđajući čelik 2205 (koji ima znatno veću otpornost na HIC) ili legura 825.

Terenska identifikacija HIC-induciranih kvarova

U HIC-u u omotačima grijača 316 razvijaju se tipične ravne, stepenaste -pukotine šireći se paralelno s osi cijevi (ako su inkluzije aksijalne) ili po obodu (ako prevladava obručno naprezanje). Višestruke paralelne pukotine su tipične i često popraćene mjehurima na površini plašta, lokaliziranim bubrenjem gdje je metal izobličen unutarnjim tlakom vodika. Površina loma pokazuje nisku duktilnost i može izgledati kao "riblje-ljuske" ili "ljestve" kada su se pukotine spojile sa susjednim inkluzivnim žicama. EDS studija površine loma pokazuje sumpor iz originalnih inkluzija MnS i daljnji sumpor iz procesa korozije. Ako ove osobine nedostaju u pokvarenim grijačima u kiseloj vodi, tada treba ispitati kloridni SCC ili piting kao moguće načine kvara.

Zaključak: Upravljanje stresom i morfologija uključivanja za kiselu uslugu

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 stupnjeva ), vodikom-inducirano pucanje razvija se kada zatezno zaostalo naprezanje premaši 100-150 MPa, a izdužene MnS inkluzijske žice prelaze 50-100 µm u duljinu usmjerene okomito na smjer naprezanja. Aksijalno zaostalo naprezanje zbog izvlačenja u kombinaciji s inkluzijama užeta paralelnih s osi manje je štetno od zaostalog naprezanja u obruču zbog savijanja koje djeluje na aksijalno poravnate uključke. 316 omotači koje su inženjeri odredili za kiselu upotrebu moraju upravljati zaostalim naprezanjem (nakon smanjenja naprezanja savijanja) i morfologijom uključaka (nizak sadržaj sumpora, AOD pročišćavanje, maksimalna duljina utikača 50 um). Ovdje opisani okvir povezuje zaostalo naprezanje i duljinu uključivanja s mjerljivim inicijacijskim razdobljima HIC-a. Uz ovaj okvir, kupac može odabrati 316 cijevi kako bi se oduprla vodikovoj krtosti u najneprijateljskijoj kiseloj vodi.