Zašto električne grijaće cijevi od nehrđajućeg čelika 316 s modificiranim metalom za zavarivanje modificiranim titanom odolijevaju sulfidnom naprezanju pucanja u kiseloj vodi na 80–120 stupnjeva učinkovitije od autogenih zavara?

Kisela voda, procesna voda koja sadrži otopljeni sumporovodik, proizvodi se u rafinerijama, postrojenjima za preradu prirodnog plina i anaerobnim digestorima. U električnim grijaćim cijevima koje rade u kiseloj vodi na 80-120 stupnjeva, kombinacija H2S, vlage i vlačnog zaostalog naprezanja uzrokuje pucanje sulfidnim naprezanjem (SSC) u dijelovima od nehrđajućeg čelika 316, posebno na zavarenim spojevima. Autogeno plinsko lučno zavarivanje (GTAW) plašta od nehrđajućeg čelika 316 karakterizira lijevana metalna struktura zavara s nakupinama mikro-segregiranog ferita koji su idealna mjesta za inicijaciju loma. Uključivanje titana u dodatni metal za zavarivanje, posebno kao stabilizirajući element u vrstama kao što je AWS ER318 (s 0,4–0,7% Ti) iz temelja modificira mikrostrukturu metala za zavarivanje, pročišćavajući raspodjelu ferita i promičući ujednačeniju austenitnu matricu s boljom otpornošću na vodikovu krtost i napad sulfida. Ovaj rad procjenjuje povećanje otpornosti na SSC koje osiguravaju titanom modificirani dodatni metali tipa 316 u okruženjima kisele vode na temelju ubrzanog testiranja prema NACE TM0177 i podataka o kvarovima iz uzvodnih aplikacija za grijanje vode na naftu i plin.

Metalurški mehanizam stabilizacije titana u metalu zavara plašta nehrđajućeg čelika 316
Autogeno zavarivanje nehrđajućeg čelika 316, tj. zavarivanje bez dodavanja dodatnog metala, stvara zavar koji se u potpunosti sastoji od ponovno -skrućenog osnovnog metala. Dvostruka struktura primarnog austenita i sekundarne mreže delta-ferita u metalu zavara nastaje brzim skrućivanjem. Postotak ferita je često 5-15%, ovisno o brzini hlađenja i sastavu. Atomi vodika proizvedeni katodnom reakcijom H2S korozije u kiseloj vodi koja sadrži H2S (obično 50-5000 ppm) prodiru u metal zavara. Austenit-feritna sučelja djeluju kao zamke za vodik, a feritna faza je osjetljiva na mikropukotine kada lokalna koncentracija vodika dosegne kritičnu vrijednost. Pukotina se javlja na granicama ferit-austenit i uzrokuje kvar SSC-a, koji se obično događa unutar nekoliko tjedana nakon upotrebe.

Titan se dodaje metalu za punjenje kako bi se regulirao ferit kao što je slučaj s metalima za punjenje modificiranim titanom kao što je ER318. Titan prvenstveno tvori titanijeve karbide (TiC) i tako smanjuje količinu ugljika dostupnog za taloženje kromovih karbida. Što je još važnije, titan je stabilizator austenita tijekom skrućivanja zavara, sprječavajući proizvodnju kontinuiranih feritnih mreža. ER318 s 0,4–0,7% titana smanjuje feritni broj zavara s uobičajenih 8–15 za autogene 316 zavare na 2–6. Ostatak ferita je prisutan kao izolirani otočići, a ne kao isprepletene prevlake na granicama zrna. Diskontinuirana morfologija ferita sprječava stvaranje kontinuiranih kanala pukotina kroz metal zavara.

NACE TM0177 Metoda A Test za kvantificiranu otpornost na SCC
Ispitivanje vlačne čvrstoće uzoraka zavara 316 cijevi s plaštem od nehrđajućeg čelika provedeno je u H2S-zasićenoj 5% otopini NaCl s 0,5% octenom kiselinom (pH 2,7–3,0) pod standardiziranim uvjetima prema NACE TM0177 metodi A za procjenu pucanja uslijed naprezanja sulfida. Tri ispitana stanja zavara bila su autogeni GTAW (bez punila), ER316L punilo (normalni sastav s niskim udjelom ugljika 316, bez titana) i ER318 punilo (stabilizirano titanom, 0,55% Ti). Temperatura ispitivanja bila je 80 stupnjeva, parcijalni tlak H2S bio je 1 bar, a primijenjeno naprezanje bilo je 90% uočene granice tečenja svakog zavara. Slijedi sažetak studije površine loma i vremena do loma.

Vrsta punila zavarivanja Feritni broj zavarivanja (FN) Vrijeme do SSC loma (sati, NACE TM0177) Način loma Mjesto inicijacije pukotine
Autogeni (bez materijala za punjenje)11 – 14 72 – 120 ferit-austenitne granice u središnjoj liniji zavara Intergranularno + transgranularno
ER316L (ne-stabilizirano) 8 – 11 110 – 180 HAZ pored linije fuzije Intergranularno, pretežno preko feritnih bazena
ER318 (stabiliziran titanom) 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 (test je završio bez greške) Nisu viđene pukotine N/A
Metal za zavarivanje ER318 iznad je NACE TM0177 zahtjeva za otpornost na SSC u kiselim sredinama (obično 720 sati bez kvara pri granici tečenja od 80%) kada se koristi zajedno s odgovarajućim parametrima zavarivanja za održavanje feritnog broja ispod 6. Autogeni zavari i ER316L zavari znatno su ispod ovog praga, što objašnjava njihov brzi kvar u kiselim usluga grijanja vode.

Usporedba rada grijača kisele vode na terenu u rafineriji
Predgrijači za punjenje kisele vode u rafineriji, obično rade na 90-110 stupnjeva s 200-1000 ppm H 2 S, 50-300 ppm klorida i pH 5-7, daju potvrdu laboratorijskih nalaza u stvarnom svijetu. U 24-mjesečnoj procjeni 86 električnih grijaćih cijevi u tri rafinerije, autogeni i ER318 zavareni plašti od 316 nehrđajućeg čelika uspoređeni su u pogledu stopa kvarova.

Grijači koji koriste autogene zavare (42 cijevi u dvije rafinerije) imali su trend kvarova od 22 cijevi (52%) nakon 12 mjeseci i 34 cijevi (81%) u roku od 24 mjeseca. Analiza kvarova otkrila je da sve 34 neuspjele autogene zavarene cijevi imaju SSC koji izlazi iz središnje linije zavara. Uobičajena pukotina proširila se kroz 50–80% poprečnog-presjeka zavara prije perforacije i zemljospoja.

Grijači zavareni upotrebom ER318 dodatnog metala (44 cijevi u dvije rafinerije, broj ferita za zavarivanje ograničen na Manji od ili jednak 6) radili su znatno drugačije: 2 cijevi su otkazale (4,5%) unutar 12 mjeseci (obje instalacijska oštećenja, ne SSC) i 6 cijevi je otkazalo (13,6%) unutar 24 mjeseca. Od kvarova, samo je jedan otkrio znakove SSC-a – zavar s prijavljenim feritnim brojem 9, što premašuje zahtjeve. Ostalih pet kvarova uzrokovano je rupičastom korozijom u ravnim dijelovima plašta i nisu bili povezani s kvalitetom zavara.

Autogeni zavareni omotači imali su prosječno vrijeme između kvarova od 8,5 mjeseci, dok su ER318-zavareni omotači imali srednje vrijeme između kvarova od 38 mjeseci - faktor poboljšanja od 4,5. Troškovna premija za specificiranje ER318 punila i upravljanje feritnim brojem zavara bila je ~8–12% nabavne cijene grijača, što je rezultiralo 350% poboljšanjem životnog vijeka.

Utjecaj naknadne-obrade zavara na-titanom stabilizirane zavare
Žarenje ER318 zavarenih spojeva u otopini nakon -zavarivanja pruža dodatnu otpornost na SSC za posebno neprijateljske uvjete kisele vode – H₂S iznad 1000 ppm, temperature iznad 100 stupnjeva ili pH ispod 5,0. Žarenje u otopini na 1050 stupnjeva i gašenje vodom uklanja sve kromove karbide koji su se možda razvili i potpuno homogenizira titanom-stabiliziranu mikrostrukturu. Ispitivanja elektrokemijske polarizacije otkrivaju da je gustoća struje propuštanja vodika za -zavarene ER318 zavare 0,08 µA/cm2 u H2S-zasićenoj otopini u usporedbi s 0,25 µA/cm2 za-zavareni ER318 i 0,65 µA/cm2 za autogene zavare. Što je niža propusnost vodika, manja je osjetljivost na SSC.

Rješenje za žarenje gotovih grijača, međutim, često je neizvedivo iz istih razloga kao što je opisano u prethodnim člancima: unutarnji NiCr grijaći element oksidira iznad 800 stupnjeva, a brtve terminala (obično keramika ili tinjac) ne mogu izdržati proces kaljenja. Tamo gdje žarenje otopinom nakon zavarivanja nije izvedivo, smanjenje napona na nižoj temperaturi na 400–450 stupnjeva tijekom 2 sata smanjuje zaostala naprezanja pri zavarivanju bez oštećenja unutarnjih komponenti. Samo ovo smanjenje naprezanja podiže prag naprezanja za SSC za 15 do 20% u testiranju stalnog-opterećenja, ali manje od potpunog žarenja.

Jezik specifikacije zavara grijača kisele vode
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 >1000 ppm aplikacije. Razmislite o ažuriranju cijelog omotača na leguru 825 ili leguru 625, koje prirodno imaju veću otpornost na SSC nego bilo koji materijal na bazi 316, bez obzira na odabir metala za punjenje.

Poznavanje učinka titana u dodatnom metalu ER318 za modificiranje feritnog oblika metala za zavarivanje od kontinuiranih mreža do izoliranih otoka omogućuje inženjerima da razviju postupke zavarivanja koji eliminiraju primarni SSC inicijalni put u servisu grijanja kisele vode. Mali povećani trošak punila stabiliziranog titanom opravdava se 4-5 puta produljenjem životnog vijeka u bilo kojoj instalaciji gdje H 2 S prelazi 50 ppm.