Przy jakiej kombinacji naprężenia szczątkowego rozciągającego wynikającego z rozciągania i długości podłużnic z wtrąceniem siarczku powoduje uszkodzenie rurki podgrzewacza 316 pod wpływem wodoru-Pękanie wywołane w wodzie kwaśnej

Kruchość wodorowa: synergistyczne skutki stresu i morfologii włączenia

Pękanie-indukowane wodorem (HIC) to potencjalna przyczyna awarii elektrycznych rur grzejnych w osłonie ze stali nierdzewnej 316 pracujących w kwaśnej wodzie-środowisku wodnym o stężeniu siarkowodoru (H2S) przekraczającym 10 ppm, typowym dla uzdatniania wody na polach naftowych, ogrzewania geotermalnego i procesów rafineryjnych. HIC w 316 nie wymaga stosowanej polaryzacji anodowej, w przeciwieństwie do pękania korozyjnego naprężeniowego chlorkowego. HIC zachodzi, gdy wodór atomowy powstający w reakcji korozji (Fe + H₂S → FeS + 2H ) dyfunduje do stali i ponownie łączy się na-interfejsach wtrąceń niemetalicznych, tworząc ciśnienie wewnętrzne, które powoduje propagację pęknięć. Podatność na HIC jest kontrolowana przez dwa parametry: wielkość naprężenia szczątkowego rozciągającego wynikającego z rozciągania lub zginania rury oraz długość i orientację wtrąceń w podłużnicach siarczku manganu (MnS). HIC rozpoczyna się w kwaśnej wodzie o temperaturze 80-100 stopni w ciągu tygodni lub miesięcy, jeśli szczątkowe naprężenie rozciągające przekracza około 150 MPa, a długość podłużnic wtrąceń przekracza 50 µm w kierunku prostopadłym do kierunku naprężenia. W tym artykule oszacowano kluczowe kombinacje uszkodzeń HIC i przedstawiono sugestie dotyczące specyfikacji materiałów w przypadku zastosowań kwaśnych.

Wodór-Mechanizm pękania indukowanego austenityczną stalą nierdzewną 316

316 koroduje w kwaśnej wodzie do siarczku żelazawego (FeS) i wodoru atomowego. H2S zatruwa reakcję rekombinacji wodoru (2H → H2), przez co wodór atomowy pozostaje na powierzchni metalu i dyfunduje do sieci austenitycznej. Wodór szybko dyfunduje wzdłuż granic ziaren i jest wychwytywany-wtrąceniami niemetalicznymi, zwłaszcza wydłużonymi podłużnicami MnS, gdzie jest ponownie łączony w wodór cząsteczkowy. Ciśnienie wewnętrzne może wynosić nawet 1000 MPa lub więcej, co jest wystarczające do wywołania pęknięć w otaczającej matrycy nawet przy braku jakichkolwiek naprężeń zewnętrznych. W obecności naprężenia szczątkowego rozciągającego pęknięcie rozprzestrzenia się wzdłuż granicy między wtrąceniem a osnową, łącząc sąsiednie wtrącenia w ciągły kanał pęknięcia. Zaistnienie perforacji spowodowanej HIC wymaga zbiegu trzech warunków: (1) źródła wodoru (stężenie H2S powyżej 10 ppm, pH poniżej 6 lub jedno i drugie), (2) wydłużonych wtrąceń MnS zorientowanych prostopadle do kierunku maksymalnego naprężenia rozciągającego oraz (3) szczątkowego naprężenia rozciągającego powyżej progu propagacji pęknięcia (około 100-150 MPa dla 316).

Wartości progowe inicjacji HIC w kwaśnej wodzie wynoszące 80 stopni

Systematyczne testowanie rurek 316 z kontrolowanymi poziomami naprężeń szczątkowych i określonymi długościami podłużnic wtrąceń w roztworze A NACE TM0177 (5% NaCl + 0.5% kwasu octowego, nasyconego H2S, pH ~ 3,5) ustaliło kluczowe kombinacje dla rozpoczęcia HIC w ciągu 720 godzin (30 dni) (w temperaturze 80 stopni).

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 lat Tak 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 lat Akceptowalne
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 lat Dopuszczalne 100-150 50-100 Prostopadłe 500-1,000 50-150 5-10 lat Marginalne 100-150 100-200 Prostopadłe 200-500 150-300 2-5 latNiewskazane
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Prostopadłe 100-200 200-400 1-3 lata Niezalecane
150-200 100-200 Prostopadłe 50-100 400-800 6-18 miesiące Nieodpowiednie200 50-100 Prostopadłe<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 Prostopadłe<50 >800 <3 months Not acceptable
Wpływ obróbki na zimno i kierunku ciągnienia na podatność HIC

Podczas procesu ciągnienia rurki 316 wtrącenia MnS są ustawiane równolegle do osi rury. Maksymalne naprężenie własne rozciągające podczas rozciągania osłony grzejnika ma również charakter osiowy (wzdłuż długości rury). Jeśli wtrącenia są wydłużane równolegle do kierunku naprężenia, pęknięcie musi rozprzestrzeniać się wzdłuż-interfejsu matrycy wtrąceń, która nie jest prostopadła do naprężenia-, co skutkuje mniejszą wrażliwością na HIC. Jednakże operacje zginania (tworzenie U-rurki) generują naprężenia szczątkowe rozciągające w kierunku obręczy przy zewnętrznym promieniu zgięcia. Jeśli teraz-wyrównane na rysunku wtrącenia są zorientowane normalnie do naprężenia obręczy, podatność na HIC jest znacznie większa. Nagrzewnice należy zamawiać wyłącznie z rurami prostymi (bez zagięć) lub z naprężeniami zginającymi złagodzonymi po uformowaniu, w przypadku zastosowań kwaśnych. Ponadto procesy wytwarzania stali, w wyniku których zamiast podłużnic powstają wtrącenia kuliste (rafinacja AOD lub VAR, jak opisano w artykule 24), również ograniczają maksymalną długość podłużnic poniżej 50 µm, nawet przy tym samym poziomie siarki.

Praktyczna specyfikacja podgrzewaczy wody kwaśnej 316

Do pracy w wodzie zawierającej H2S powyżej 10 ppm lub o pH poniżej 6,0 w temperaturach powyżej 60 stopni sugerowane są następujące parametry grzejników w obudowie 316:

Maksymalne szczątkowe naprężenie rozciągające po wszystkich operacjach formowania: 100 MPa (zweryfikowane za pomocą-dyfrakcji promieni X lub próby zginania U- ASTM G38 bez pęknięć po 100 godzinach w roztworze NACE TM0177)

Maksymalna długość podłużnicy MnS: 50 µm (zgodnie z ASTM E45, metoda A, poziom surowości mniejszy lub równy 1,0 dla siarczków typu A)

Maksymalne stężenie siarki w stali: 0,005% (50 ppm)

Praktyka hutnicza: rafinowana lub lepsza AOD (w przypadku ważnych usług preferowany jest VAR/ESR)

odprężanie po-zginaniu: 400–450 stopni przez 1 godzinę dla dowolnego promienia zgięcia R/D < 5,0

Twardość: Maks. 22 HRC (220 HV) dla zmniejszonej absorpcji wodoru

Jeśli nie można osiągnąć któregokolwiek z tych standardów, zalecana jest stal nierdzewna duplex 2205 (która ma znacznie wyższą odporność na HIC) lub stop 825.

Identyfikacja w terenie usterek-wywołanych przez HIC

W HIC w osłonach grzejnika 316 powstają typowe płaskie, schodkowe-pęknięcia, które rozprzestrzeniają się równolegle do osi rury (jeśli wtrącenia są osiowe) lub obwodowo (jeśli przeważają naprężenia obwodowe). Typowe są liczne równoległe pęknięcia, którym często towarzyszą pęcherze na powierzchni osłony, czyli miejscowe pęcznienie w miejscach odkształcenia metalu pod wpływem wewnętrznego ciśnienia wodoru. Powierzchnia pęknięcia wykazuje niską plastyczność i może mieć wygląd „rybiej-łuski” lub „drabiny”, gdy pęknięcia łączą się z sąsiednimi podłużnicami inkluzyjnymi. Badanie EDS powierzchni pęknięcia wykazało obecność siarki z pierwotnych wtrąceń MnS oraz dalszej siarki z procesu korozji. Jeśli te cechy nie występują w uszkodzonych grzejnikach pracujących w kwaśnej wodzie, należy zbadać chlorkowe SCC lub wżery jako możliwe przyczyny awarii.

Wniosek: Zarządzanie stresem i morfologia włączenia w przypadku usług kwaśnych

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 stopni), pękanie wywołane wodorem-powstaje, gdy naprężenie szczątkowe rozciągające przekracza 100-150 MPa, a wydłużone podłużnice z wtrąceniem MnS przekraczają 50-100 µm długości, zorientowanej prostopadle do kierunku naprężenia. Osiowe naprężenie szczątkowe spowodowane ciągnieniem w połączeniu z równoległymi do osi wtrąceniami podłużnic jest mniej szkodliwe niż naprężenia szczątkowe obręczy w wyniku zginania działającego na osiowo wyrównane wtrącenia. 316 Osłony określone przez inżynierów do pracy w środowisku kwaśnym muszą wytrzymać naprężenia szczątkowe (po odprężeniu zginania) i morfologię wtrąceń (niska zawartość siarki, rafinacja AOD, maksymalna długość podłużnic 50 um). Opisane tutaj ramy wiążą naprężenie szczątkowe i długość wtrącenia z mierzalnymi okresami inicjacji HIC. Dzięki tym ramom kupujący może wybrać rurki 316 odporne na kruchość wodorową w najbardziej nieprzyjaznej kwaśnej wodzie.