Jaki maksymalny dopuszczalny próg pękania korozyjnego naprężenia siarczkowego osiąga osłona grzejnika ze stali nierdzewnej 316 w roztworze A NACE TM0177 w temperaturze 24 i 80 stopni

Zależność temperaturowa podatności na SSC austenitycznej stali nierdzewnej

Kontrola temperatury-ryzyka pękania korozyjnego naprężeniowego siarczkowego (SSC) elektrycznych rur grzewczych w kwaśnych środowiskach eksploatacyjnych (podgrzewacze wody na polach naftowych, systemy geotermalne lub grzejniki procesowe w rafineriach) nie jest-monotoniczna, tj. ryzyko nie jest po prostu funkcją temperatury. W odróżnieniu od SCC wywołanego chlorkami, który jest bardziej dotkliwy wraz ze wzrostem temperatury, SSC austenitycznych stali nierdzewnych, takich jak 316, ma maksymalną wrażliwość w temperaturze otoczenia (20–30 stopni) i jest znacznie zmniejszona w podwyższonych temperaturach (ponad 80 stopni). 316 w roztworze A NACE TM0177 (5% wag. NaCl + 0.5% wag. kwasu octowego, nasyconego H2S pod ciśnieniem 1 atm., pH ~ 2,7-3,0) ma naprężenie progowe dla SSC wynoszące około 60-70% jego granicy plastyczności w 24 stopniach. Oznacza to, że naprężenia wyższe niż 120-140 MPa (dla wyżarzonego 316 o granicy plastyczności ~205 MPa) doprowadzą do pękania już po 720 godzinach. Przy 80 stopniach próg przesuwa się w górę, aby osiągnąć granicę plastyczności (blisko 200 MPa), wykazując znacznie mniejszą podatność na SSC. W tym artykule progi SSC dla 316 powłok określono ilościowo jako funkcję temperatury.

Pochodzenie-podatności na SSC zależnej od temperatury

Pękanie korozyjne naprężeniowe siarczkowe ma miejsce, gdy wodór atomowy powstający w wyniku reakcji korozji (Fe + H2S → FeS + 2H) dyfunduje do stali i powoduje kruchość mikrostruktury. W przypadku austenitycznych stali nierdzewnych, takich jak 316, dyfuzja wodoru jest powolna w temperaturze pokojowej, ponieważ struktura sześcienna skupiona wokół powierzchni (FCC) powoduje niską dyfuzyjność wodoru (około 10-12 do 10-11 cm2/s przy 25 stopniach w porównaniu z 10-6 cm2/s w przypadku stali ferrytycznych). Jednak praca na zimno w połączeniu z wysoką twardością i dużą gęstością dyslokacji może sprawić, że 316 będzie podatny. W wyższych temperaturach (> 60-80 stopni) zwiększa się dyfuzyjność wodoru, ale zwiększa się również tolerancja na wodór, ponieważ dyslokacje mogą się przesuwać, aby złagodzić lokalne naprężenia. Również szybkość korozji wzrasta wraz z temperaturą, co prowadzi do większej produkcji wodoru, ale reakcja rekombinacji wodoru jest mniej zatruta przez H2S w wyższych temperaturach. Zatem końcową konsekwencją jest maksymalna podatność na SSC w zakresie od 20 do 40 stopni i szybki spadek powyżej 60 stopni.

Ilościowe limity SSC przy 24 stopniach i 80 stopniach

Badanie SSC przy stałym obciążeniu wyżarzonej stali nierdzewnej 316 o twardości < 200 HV w roztworze A NACE TM0177 ustaliło następujące naprężenia progowe pękania w normalnym 720-godzinnym okresie badania.

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% Umiarkowany
Krytyczne oddziaływanie twardości-oporu SSC

Maksymalna twardość 22 HRC (około 250 HV) jest dozwolona dla austenitycznych stali nierdzewnych w środowisku kwaśnym zgodnie z NACE MR0175/ISO 15156 (specyfikacja materiałów w środowiskach zawierających H₂S-). Ta granica twardości odpowiada maksymalnej pracy na zimno wynoszącej około 15-20%. Poniższa tabela przedstawia ograniczenia twardości i ich wpływ na SSC w temperaturze pokojowej.

Maksymalna twardość (HRC) Maksymalna twardość (HV) Odpowiednik pracy na zimno SSC Naprężenie progowe (MPa, 24 stopnie, podstawa wyżarzana) 316 Dopuszczalne według NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Tak (ograniczone)
20-22 230-250 12-18% 100 Marginalne
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Praktyczne zalecenia dotyczące zastosowań z podgrzewaczami kwaśnymi

Poniższe zalecenia opierają się na temperaturze roboczej grzejników płaszczowych 316 stosowanych w środowisku H2S (ciśnienie cząstkowe H2S powyżej 0,05 psia lub stężenie powyżej 10 ppm w wodzie w stanie ciekłym).

Temperatura robocza (stopnie) Ciśnienie cząstkowe H2S (psia) Maksymalna twardość (HRC/HV) Zalecana obróbka cieplna po-formowaniu Alternatywny stop<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 Dowolne Dowolne (bez ryzyka SSC)316 całkowicie akceptowalne Nie wymagane
Diagnostyka terenowa awarii SSC

Pękanie SSC w osłonach grzejnika 316 jest zwykle raczej przezkrystaliczne (przez ziarna), a nie międzykrystaliczne, często z rozgałęzieniami jak chlorkowe SCC, ale przy braku znacznych ilości chlorków. Występuje niewielkie odkształcenie plastyczne powierzchni pęknięcia, które może być płaskie i fasetowane. Najbardziej prawdopodobnymi miejscami pęknięć są obszary-obrobione na zimno (np. zewnętrzny promień zakrętów) i temperatury poniżej 60 stopni. Jeśli grzejnik ulegnie awarii w układzie z kwaśną wodą zawierającą H2S, awaria nastąpi na zakręcie lub-w obszarze poddanym zimnej obróbce, a temperatura robocza wynosi 50 stopni, należy podejrzewać SSC, jeśli twardość przekracza około 250 HV, niezależnie od twardości.

Wniosek: Kontrola ryzyka SSC poprzez kontrolę temperatury i twardości

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 stopni), dlatego 316 można bezpiecznie stosować nawet przy wyższych poziomach pracy na zimno. Opisane tutaj ramy umożliwiają nabywcom wybór powłok 316 odpornych na pękanie korozyjne naprężeniowe siarczkowe w warunkach kwaśnych poprzez powiązanie temperatury, twardości i naprężenia progowego SSC.