Pri akej kombinácii zvyškového napätia v ťahu z ťahania a dĺžky navliekača s obsahom sulfidu zlyhá 316 rúrok ohrievača vplyvom vodíka-praskanie v systéme kyslej vody

Vodíková krehkosť: Synergické účinky stresu a morfológia inklúzie

Vodíkom-indukované praskanie (HIC) je potenciálnym poruchovým režimom elektrických vykurovacích rúrok s plášťom z nehrdzavejúcej ocele 316 vo vodnom prostredí s kyslou vodou-s koncentráciou sírovodíka (H2S) presahujúcou 10 ppm, čo je typické pre úpravu vody na ropných poliach, geotermálne vykurovanie a rafinérske procesy. HIC v 316 nevyžaduje aplikovanú anodickú polarizáciu, na rozdiel od chloridového korózneho praskania. HIC nastáva, keď atómový vodík vytvorený koróznou reakciou (Fe + H₂S → FeS + 2H) difunduje do ocele a rekombinuje sa na nekovových inklúznych rozhraniach, čím vytvára vnútorný tlak, ktorý poháňa šírenie trhliny. Citlivosť na HIC je riadená dvoma parametrami, veľkosťou zvyškového napätia v ťahu, ktoré je výsledkom ťahania alebo ohýbania rúrok, a dĺžkou a orientáciou inklúzií výstuh sulfidu mangánu (MnS). HIC začína v kyslej vode pri 80-100 stupňoch medzi týždňami až mesiacmi, ak zvyškové ťahové napätie presiahne okolo 150 MPa a dĺžka inklúzneho stĺpika presahuje 50 µm v smere kolmom na smer napätia. Tento článok odhaduje kľúčové kombinácie pre zlyhanie HIC a poskytuje návrhy na špecifikáciu materiálu pre kyslú službu.

Vodíkom-indukovaný mechanizmus praskania z austenitickej nehrdzavejúcej ocele 316

316 koroduje na sírnik železnatý (FeS) a atómový vodík v kyslej vode. H2S otrávi reakciu rekombinácie vodíka (2H → H2), a preto atómový vodík zostáva na povrchu kovu a difunduje do austenitickej mriežky. Vodík rýchlo difunduje pozdĺž hraníc zŕn a zachytáva sa v ne-kovových inklúziách, najmä v predĺžených MnS výpletoch, kde sa rekombinuje na molekulárny vodík. Vnútorný tlak môže byť až 1 000 MPa alebo viac, čo je dostatočné na vyvolanie praskania v okolitej matrici aj pri absencii akéhokoľvek vonkajšieho napätia. V prítomnosti zvyškového napätia v ťahu sa lom šíri pozdĺž rozhrania medzi inklúziou a matricou a spája susedné inklúzie do súvislého kanála trhliny. Výskyt perforácie v dôsledku HIC vyžaduje zhodu troch podmienok: (1) zdroj vodíka (koncentrácia H 2 S nad 10 ppm, pH nižšie ako 6 alebo oboje), (2) predĺžené inklúzie MnS orientované kolmo na smer maximálneho ťahového napätia a (3) zvyškové ťahové napätie nad prahom šírenia trhliny (približne 506 MPa-1060-1060).

80 stupňov v kyslej vode kvantifikovaných HIC iniciačných prahov

Systematické testovanie 316 hadičiek s kontrolovanými hladinami zvyškového napätia a kvantifikovanými dĺžkami inklúznych reťazcov v roztoku A NACE TM0177 (5 % NaCl + 0.5 % kyselina octová, nasýtená H2S, pH~3,5) stanovilo kľúčové kombinácie pre spustenie HIC za 720 hodín (30 dní) (pri 80 stupňoch).

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 str./min.)<50 Any Any No HIC 0 >10 rokov Áno 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 rokov Prijateľné
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 rokov Prijateľné 100-150 50-100 Kolmé 500-1,000 50-150 5-10 rokov Okrajové 100-150 100-200 Kolmé 200-500 150-300 2-5 rokov Neodporúča sa
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Kolmo 100-200 200-400 1-3 rokov Neodporúča sa
150-200 100-200 Kolmá 50-100 400-800 6-18 mesiacov Nevhodné200 50-100 Kolmá<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 Kolmo<50 >800 <3 months Not acceptable
Vplyv opracovania za studena a smeru kreslenia na náchylnosť na HIC

Počas procesu ťahania 316 rúrok sú inklúzie MnS zarovnané rovnobežne s osou rúrky. Maximálne zvyškové napätie v ťahu počas ťahania plášťa ohrievača je tiež axiálne (po dĺžke rúry). Ak sú inklúzie predĺžené rovnobežne so smerom napätia, potom sa trhlina musí šíriť pozdĺž rozhrania -matrice inklúzie, ktoré nie je kolmé na napätie-, čo vedie k menšej citlivosti na HIC. Operácie ohýbania (tvorba U-rúry) však generujú zvyškové napätia v ťahu v smere obruče na vonkajšom polomere ohybu. Ak sú teraz inklúzie zarovnané na výkrese- orientované normálne k tomuto napätiu obruče, náchylnosť na HIC sa výrazne zvýši. Ohrievače by mali byť špecifikované výlučne s rovnými rúrami (bez ohybov) alebo s namáhaním v ohyboch, ktoré sa po tvarovaní zmierni, pre kyslé použitie. Okrem toho procesy výroby ocele, ktorých výsledkom sú globulárne inklúzie namiesto výstužných prvkov (rafinácia AOD alebo VAR, ako je uvedené v článku 24), tiež obmedzujú maximálnu dĺžku výstuže pod 50 µm, dokonca aj pri rovnakej úrovni síry.

Praktická špecifikácia pre úžitkové ohrievače vody na kyslú vodu 316

Pre použitie vo vode s obsahom H2S vyšším ako 10 ppm alebo s pH nižším ako 6,0 pri teplotách vyšších ako 60 stupňov sa pre 316 zapuzdrených ohrievačov odporúčajú nasledujúce parametre:

Maximálne zvyškové napätie v ťahu po všetkých tvárniacich operáciách: 100 MPa (overené röntgenovou difrakciou alebo skúškou ohybom ASTM G38 U- bez praskania po 100 hodinách v roztoku NACE TM0177)

Maximálna dĺžka MnS výpletu: 50 µm (podľa ASTM E45, metóda A, úroveň závažnosti menšia alebo rovná 1,0 pre sulfidy typu A)

Maximálna koncentrácia síry v oceli: 0,005 % (50 ppm)

Oceľová prax: AOD rafinovaná alebo lepšia (VAR/ESR vhodnejšie pre dôležité služby)

Uvoľnenie napätia po-ohybe: 400 – 450 stupňov na 1 hodinu pre akýkoľvek polomer ohybu R/D < 5,0

Tvrdosť: Max 22 HRC (220 HV) pre zníženú absorpciu vodíka

Ak niektorú z týchto noriem nemožno dosiahnuť, odporúča sa duplexná nehrdzavejúca oceľ 2205 (ktorá má podstatne vyššiu odolnosť proti HIC) alebo zliatina 825.

Identifikácia polí-zlyhaní vyvolaných HIC

V HIC v plášťoch ohrievačov 316 typických plochých,{1}}krokových prasklín, ktoré sa šíria rovnobežne s osou trubice (ak sú inklúzie axiálne) alebo po obvode (ak prevláda napätie v obruči). Viacnásobné paralelné praskliny sú typické a často sprevádzané pľuzgiermi na povrchu puzdra, lokalizovaným opuchom, kde bol kov zdeformovaný vnútorným tlakom vodíka. Povrch lomu vykazuje nízku ťažnosť a môže mať vzhľad „rybie-šupiny“ alebo „rebrík“, keď sa trhliny spoja so susednými vložkami. Štúdia EDS povrchu lomu ukazuje síru z pôvodných inklúzií MnS a ďalšiu síru z korózneho procesu. Ak tieto znaky chýbajú v zlyhaných ohrievačoch v kyslej vode, potom by sa mal ako možný spôsob zlyhania preskúmať chloridový SCC alebo jamková jamka.

Záver: Zvládanie stresu a morfológia inklúzie pre kyslú službu

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 stupňov), praskanie vyvolané vodíkom- sa vyvinie, keď zvyškové napätie v ťahu presiahne 100-150 MPa a predĺžené výstuhy MnS inklúzií prekročia dĺžku 50-100 µm orientovanú kolmo na smer napätia. Axiálne zvyškové napätie spôsobené ťahaním v kombinácii s paralelnými osovými výstužnými inklúziami je menej škodlivé ako obručové zvyškové napätie v dôsledku ohybu pôsobiaceho na axiálne zarovnané inklúzie,. 316 plášte špecifikované inžiniermi pre kyslú prevádzku, musia zvládnuť zvyškové napätie (po uvoľnení ohybového napätia) a morfológiu inklúzií (nízky obsah síry, AOD rafinácia, maximálna dĺžka výpletu 50). Tu opísaný rámec spája zvyškové napätie a dĺžku inklúzie s merateľnými iniciačnými periódami HIC. S týmto rámcom si kupujúci môže vybrať 316 hadičky, ktoré odolajú vodíkovému skrehnutiu v najnepriaznivejšej kyslej vode.