Pri kakšni kombinaciji natezne preostale napetosti zaradi vlečenja in dolžine vezice z vključki sulfida pride do okvare cevi grelnika 316 zaradi vodikovega-razpokanja v servisu kisle vode

Vodikova krhkost: sinergistični učinki stresa in inkluzijske morfologije

Krekiranje-povzročeno z vodikom (HIC) je potencialni način okvare za 316 električnih grelnih cevi, obloženih z nerjavečim jeklom, v vodnih okoljih-kisle vode s koncentracijo vodikovega sulfida (H2S), ki presega 10 ppm, kar je značilno za obdelavo vode iz naftnih nahajališč, geotermalno ogrevanje in rafinerije. HIC v 316 ne zahteva uporabljene anodne polarizacije, za razliko od kloridnega napetostnega korozijskega razpokanja. HIC se pojavi, ko atomski vodik, ki nastane s korozijsko reakcijo (Fe + H₂S → FeS + 2H), difundira v jeklo in se rekombinira na mejah ne-kovinskih vključkov, kar ustvarja notranji tlak, ki spodbuja širjenje razpok. Občutljivost za HIC je nadzorovana z dvema parametroma, velikostjo natezne preostale napetosti, ki je posledica vlečenja ali upogibanja cevi, ter dolžino in usmerjenostjo vključkov manganovega sulfida (MnS). HIC se začne v kisli vodi pri 80-100 stopinjah od tednov do mesecev, če preostala natezna napetost preseže okoli 150 MPa in dolžina vključne vrvice preseže 50 µm v smeri, ki je pravokotna na smer napetosti. Ta članek ocenjuje ključne kombinacije za okvaro HIC in ponuja predloge za specifikacijo materiala za kisle storitve.

Vodikov-mehanizem razpok avstenitnega nerjavečega jekla 316

316 korodira na železov sulfid (FeS) in atomski vodik v kisli vodi. H2S zastrupi reakcijo rekombinacije vodika (2H → H2) in zato atomski vodik ostane na kovinski površini in difundira v avstenitno mrežo. Vodik hitro difundira vzdolž meja zrn in se ujame na ne-kovinske vključke, zlasti na podolgovate MnS stringerje, kjer se rekombinira v molekularni vodik. Notranji tlak je lahko visok do 1000 MPa ali več, kar je dovolj, da povzroči razpoke v okoliški matrici tudi v odsotnosti kakršnih koli zunanjih obremenitev. V prisotnosti natezne preostale napetosti se lom širi vzdolž meje med vključkom in matriko, pri čemer povezuje sosednje vključke v neprekinjen kanal razpoke. Pojav perforacije zaradi HIC zahteva sovpadanje treh pogojev: (1) vir vodika (koncentracija H 2 S nad 10 ppm, pH pod 6 ali oboje), (2) podolgovati vključki MnS, usmerjeni pravokotno na smer največje natezne napetosti, in (3) preostala natezna napetost nad pragom za širjenje razpoke (približno 100-150 MPa za 316).

80 stopinj v kisli vodi Kvantificirani začetni pragovi HIC

Sistematično testiranje cevi 316 z nadzorovanimi stopnjami preostale napetosti in kvantificiranimi dolžinami vključkov v raztopini A NACE TM0177 (5 % NaCl + 0.5 % ocetne kisline, nasičene s H2S, pH~3,5) je določilo ključne kombinacije za začetek HIC v 720 urah (30 dneh) (pri 80 stopinjah).

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 let Da 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 let Sprejemljivo
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 let Sprejemljivo 100-150 50-100 Pravokotno 500-1,000 50-150 5-10 let Mejno 100-150 100-200 Pravokotno 200-500 150-300 2-5 let Ni priporočljivo
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Pravokotno 100-200 200-400 1-3 let Ni priporočljivo
150-200 100-200 Pravokotno 50-100 400-800 6-18 mesecev Ni primerno200 50-100 Pravokotno<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 Pravokotno<50 >800 <3 months Not acceptable
Učinek hladne obdelave in smeri vlečenja na občutljivost za HIC

Med postopkom vlečenja cevi 316 so vključki MnS poravnani vzporedno z osjo cevi. Največja natezna zaostala napetost med vlečenjem za plašč grelnika je tudi aksialna (vzdolž dolžine cevi). Če so vključki podolgovati vzporedno s smerjo napetosti, se mora razpoka širiti vzdolž vmesne ploskve-matrike vključkov, ki ni pravokotna na napetost-, kar povzroči manjšo občutljivost za HIC. Vendar operacije upogibanja (ustvarjanje U-cevi) ustvarjajo natezne preostale napetosti v smeri obroča na zunanjem radiju krivine. Če so narisani-vključki usmerjeni normalno glede na to obročasto napetost, je dovzetnost za HIC precej večja. Grelniki morajo biti določeni z izključno ravnimi cevmi (brez krivin) ali z zmanjšano obremenitvijo krivin po oblikovanju za kislo uporabo. Poleg tega postopki izdelave jekla, ki imajo za posledico globularne vključke namesto stringerskih (AOD ali VAR rafiniranje, kot je opisano v členu 24), prav tako omejujejo največjo dolžino stringerja pod 50 µm, tudi pri enaki ravni žvepla.

Praktične specifikacije za servisne grelnike kisle vode 316

Za delovanje v vodi, ki vsebuje H2S nad 10 ppm ali s pH pod 6,0 ​​pri temperaturah nad 60 stopinj, so za grelnike 316 priporočeni naslednji parametri:

Največja preostala natezna napetost po vseh operacijah oblikovanja: 100 MPa (preverjeno z rentgensko difrakcijo ali z ASTM G38 U-testom upogibanja brez razpok po 100 urah v raztopini NACE TM0177)

Največja dolžina vrvice MnS: 50 µm (po ASTM E45, metoda A, stopnja resnosti manjša ali enaka 1,0 za sulfide tipa A)

Najvišja koncentracija žvepla v jeklu: 0,005 % (50 ppm)

Praksa izdelave jekla: AOD rafiniran ali boljši (VAR/ESR prednostno za pomembne storitve)

Razbremenitev po-upogibu: 400-450 stopinj za 1 uro za kateri koli radij upogiba R/D < 5,0

Trdota: Max 22 HRC (220 HV) za zmanjšano absorpcijo vodika

Če katerega koli od teh standardov ni mogoče doseči, je priporočljivo nerjaveče jeklo duplex 2205 (ki ima bistveno višjo odpornost proti HIC) ali zlitina 825.

Identifikacija na terenu napak-povzročenih s HIC

V HIC v plaščih grelnikov 316 se razvijejo tipične ravne, stopničaste -razpoke, ki se širijo vzporedno z osjo cevi (če so vključki aksialni) ali obodno (če prevladuje obročasta napetost). Tipične so številne vzporedne razpoke, ki jih pogosto spremljajo mehurji na površini plašča, lokalizirana oteklina, kjer je kovino popačil notranji tlak vodika. Površina loma kaže nizko duktilnost in je lahko videti kot "ribja-luska" ali "lestev", ko so razpoke spojile sosednje inkluzivne vrvice. EDS študija površine zloma kaže žveplo iz prvotnih vključkov MnS in nadaljnje žveplo iz procesa korozije. Če teh lastnosti ni v okvarjenih grelnikih v kisli vodi, je treba kot možna načina okvare preučiti kloridni SCC ali luknjičasto tvorbo.

Zaključek: obvladovanje stresa in inkluzijska morfologija za kislo postrežbo

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 stopinj), se vodikovo-inducirano razpokanje razvije, ko natezna zaostala napetost preseže 100-150 MPa in podolgovate vključke MnS presežejo dolžino 50-100 µm, usmerjene pravokotno na smer napetosti. Aksialna preostala napetost zaradi vlečenja v kombinaciji z vključki vzporednih osi stringera je manj škodljiva kot obročasta zaostala napetost zaradi upogibanja, ki deluje na aksialno poravnane vključke. 316 ovoji, ki so jih inženirji določili za kislo uporabo, morajo obvladati preostalo napetost (razbremenitev napetosti po upogibu) in morfologijo vključkov (nizka vsebnost žvepla, AOD rafiniranje, največja dolžina strune 50 um). Tukaj opisani okvir povezuje preostalo napetost in dolžino vključka z merljivimi začetnimi obdobji HIC. S tem ogrodjem lahko kupec izbere cev 316, da se upre vodikovi krhkosti v najbolj sovražni kisli vodi.