Koliki je maksimalni dopušteni prag pucanja od korozije uslijed napona sulfida pokazuje plašt grijača od nehrđajućeg čelika 316 u NACE TM0177 Rješenje A na 24 stupnja i 80 stupnjeva

Temperaturna ovisnost osjetljivosti na SSC austenitnog nehrđajućeg čelika

Temperaturna-kontrola rizika od sulfidnog korozivnog pucanja (SSC) električnih grijaćih cijevi u kiselim radnim okruženjima (grijači vode naftnih polja, geotermalni sustavi ili rafinerijski procesni grijači) nije-monotona, tj. rizik nije samo funkcija temperature. Za razliku od SCC-a izazvanog kloridom koji je ozbiljniji s povećanjem temperature, SSC austenitnih nehrđajućih čelika kao što je 316 ima maksimalnu osjetljivost na temperaturi okoline (20-30 stupnjeva), a znatno se smanjuje na povišenim temperaturama (preko 80 stupnjeva). 316 u NACE TM0177 otopini A (5 wt% NaCl + 0.5 wt% octene kiseline kiselina, zasićena s H2S pri 1 atm, pH ~ 2,7-3,0) ima prag naprezanja za SSC od oko 60-70% svoje granice tečenja na 24 stupnja. To znači da će naprezanja veća od 120-140 MPa (za žareni 316 s granicom tečenja ~ 205 MPa) dovesti do pucanja za 720 sati. Na 80 stupnjeva prag se pomiče prema gore kako bi se postigla granica razvlačenja (blizu 200 MPa) pokazujući značajno manju osjetljivost na SSC. U ovom su radu pragovi SSC-a za 316 omotača kvantificirani kao funkcija temperature.

Podrijetlo temperaturno-osjetljivosti na SSC

Pukotine uzrokovane sulfidnom korozijom nastaju kada atomski vodik koji nastaje reakcijom korozije (Fe + H2S → FeS + 2H) difundira u čelik i čini mikrostrukturu krtom. Za austenitne nehrđajuće čelike, kao što je 316, difuzija vodika je spora na sobnoj temperaturi jer kubična -centrirana kubična (FCC) struktura rezultira niskom difuzijom vodika (oko 10-12 do 10-11 cm2/s na 25 stupnjeva u odnosu na 10-6 cm2/s za feritne čelike). Međutim, hladni rad, u kombinaciji s velikom tvrdoćom i velikom gustoćom dislokacije, može učiniti 316 osjetljivim. Na višim temperaturama (> 60-80 stupnjeva) povećava se difuznost vodika, ali se povećava i tolerancija na vodik jer se dislokacije mogu pomaknuti kako bi ublažile lokalne naprezanja. Također, stopa korozije raste s temperaturom što dovodi do veće proizvodnje vodika, ali je reakcija rekombinacije vodika manje zatrovana H 2 S na višim temperaturama. Stoga je krajnja posljedica maksimalna osjetljivost na SSC između 20 i 40 stupnjeva i brzo smanjenje iznad 60 stupnjeva.

Kvantificirana SSC ograničenja na 24 stupnja i 80 stupnjeva

SSC ispitivanje pri konstantnom opterećenju žarenog nehrđajućeg čelika 316, s tvrdoćom < 200 HV, u NACE TM0177 otopini A, utvrdilo je sljedeće granične naprezanja za pucanje tijekom normalnog razdoblja ispitivanja od 720 sati.

Temperature (°C) Material Condition Yield Strength (0.2% offset, MPa) Threshold Stress for SSC (MPa, 720h)Threshold Stress as % of Yield SSC Susceptibility Rating 24 Annealed (150-180 HV) 205 120-140 60-70% Moderate 24 Cold-worked (20%, 250-300 HV) 400-500 80-120 (absolute) 20-30% High 24 Hard-drawn (>35% CW, >350 HV) 550-700<50 (absolute) <10%Severe 80Annealed 190 (derated) 170-190 90-100% Low 80 Cold-worked (20%) 350-450 250-350 70-80% Moderate 80 Hard-drawn (>35% CW) 500-650 300-500 60-70% Umjereno
Kritična interakcija tvrdoće-otpornosti na SSC

Najveća tvrdoća od 22 HRC (oko 250 HV) dopuštena je za austenitne nehrđajuće čelike u kiseloj uporabi prema NACE MR0175/ISO 15156 (specifikacija za materijale u sredinama koje sadrže H₂S-). Ova granica tvrdoće odgovara maksimalnom hladnom radu od oko 15-20%. Tablica u nastavku prikazuje ograničenja tvrdoće i njihove utjecaje na SSC na sobnoj temperaturi.

Maksimalna tvrdoća (HRC) Maksimalna tvrdoća (HV) Ekvivalent hladnog rada SSC prag naprezanja (MPa, 24 stupnja, žarena baza)316 Prihvatljivo prema NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Da (ograničeno)
20-22 230-250 12-18% 100 Marginalno
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Praktične preporuke za primjenu grijača kiselog ulja

Sljedeće preporuke temelje se na radnoj temperaturi za 316 obložene grijače za upotrebu u H2S (parcijalni tlak H2S iznad 0,05 psia ili koncentracija iznad 10 ppm u tekućoj vodi).

Radna temperatura (stupnjevi) Parcijalni tlak H2S (psia) Maksimalna tvrdoća (HRC/HV) Preporučena toplinska obrada nakon -oblikovanja Alternativna legura<30 <0.05 22/250 Stress relief 400-450°C 316 acceptable <30 0.05-0.5 20/230 Full solution anneal + stress relief 316L preferred <30 >0.5 18/210 Full solution anneal Duplex 2205 recommended 30-60 Any 22/250No need (reduced susceptibility) 316 acceptable 60-80 Any 25/280316 accept None necessary (low susceptibility) >80 Bilo koji Bilo koji (bez SSC rizika)316 potpuno prihvatljiv Nije potrebno
Terenska dijagnostika neispravnosti SSC-a

Pukotine od SSC-a u 316 plaštima grijača obično su transgranularne (kroz zrna), a ne intergranularne, često s grananjem poput kloridnog SCC-a, ali u nedostatku značajnih klorida. Postoji mala plastična deformacija površine prijeloma koja može biti ravna i fasetirana. Najvjerojatnija mjesta za pucanje su hladno -obrađena područja (npr. vanjski radijus savijanja) i temperature ispod 60 stupnjeva. Ako grijač pokvari zbog sustava kisele vode uključujući H 2 S, a kvar je na zavoju ili hladno-obrađenom području, a radna temperatura je ambijentalna do 50 stupnjeva, treba posumnjati na SSC ako tvrdoća prelazi oko 250 HV, bez obzira na tvrdoću.

Zaključak: SSC kontrola rizika putem kontrole temperature i tvrdoće

316 stainless steel encased heaters in sour service (H2S-containing environments) have peak vulnerability to SSC at ambient to 40°C, and drops dramatically above 60°C. The threshold stress for SSC in NACE TM0177 Solution A at 24°C is about 60-70% of yield strength (120-140 MPa for annealed 316). At 80C the threshold climbs to near yield strength (170-190 MPa) suggesting substantially lesser danger. For sour service with 316 sheaths, NACE MR0175 requires that the hardness does not exceed 22 HRC (250 HV) when operating below 60°C. Hardness is less important for higher temperature operations (>60 stupnjeva) stoga se 316 može sigurno koristiti čak i na višim razinama hladnog rada. Ovaj okvir koji je ovdje opisan omogućuje kupcima da odaberu 316 omotača otpornih na pucanje od sulfidne korozije u kiselim uvjetima povezujući temperaturu, tvrdoću i SSC prag naprezanja.