Under hvilken kombinasjon av strekkspenning fra trekking og sulfid-inkludering av strengerlengde svikter 316 varmerør av hydrogen-Indusert sprekkdannelse i surt vann

Hydrogensprøhet: Synergistiske effekter av stress og inkluderingsmorfologi

Hydrogen-induced cracking (HIC) er en potensiell sviktmodus for 316 elektriske varmerør i rustfritt stål i vannholdige-vannholdige miljøer med hydrogensulfid (H2S) konsentrasjoner på over 10 ppm, typisk for vannbehandling i oljefelt, geotermisk oppvarming og raffineriprosesser. HIC i 316 krever ikke påført anodisk polarisering, i motsetning til kloridspenningskorrosjonssprekker. HIC oppstår når atomært hydrogen, generert av korrosjonsreaksjonen (Fe + H₂S → FeS + 2H) diffunderer inn i stålet og rekombinerer ved ikke-metalliske inklusjonsgrensesnitt, og skaper internt trykk som driver sprekkforplantning. Følsomhet for HIC kontrolleres av to parametere, størrelsen på strekkresiduspenningen som følge av rørtrekking eller bøyning og lengden og orienteringen av mangansulfid (MnS) stringer-inneslutninger. HIC begynner i surt vann ved 80-100 grader mellom uker til måneder hvis gjenværende strekkspenning overstiger rundt 150 MPa og inklusjonsstrengerlengden overstiger 50 µm i en retning vinkelrett på spenningsretningen. Denne artikkelen estimerer nøkkelkombinasjonene for HIC-feil og gir forslag til materialspesifikasjoner for sur service.

Hydrogen-Indusert sprekkmekanisme av 316 austenittisk rustfritt stål

316 korroderer til jernsulfid (FeS) og atomært hydrogen i surt vann. H2S forgifter hydrogenrekombinasjonsreaksjonen (2H → H2) og følgelig forblir det atomære hydrogenet på metalloverflaten og diffunderer inn i det austenittiske gitteret. Hydrogen diffunderer raskt langs korngrensene og fanges ved ikke-metalliske inneslutninger, spesielt langstrakte MnS-strenger, hvor det rekombinert til molekylært hydrogen. Det indre trykket kan være så høyt som 1000 MPa eller mer, nok til å indusere sprekker i den omkringliggende matrisen selv i fravær av ytre påkjenninger. I nærvær av en gjenværende strekkspenning forplanter bruddet seg langs grensesnittet mellom inneslutningen og matrisen, og forbinder de nærliggende inneslutningene til en kontinuerlig sprekkkanal. Forekomsten av perforering på grunn av HIC krever sammenfall av tre forhold: (1) en kilde til hydrogen (H 2 S-konsentrasjon over 10 ppm, pH under 6, eller begge deler), (2) forlengede MnS-inneslutninger orientert vinkelrett på retningen for maksimal strekkspenning, og (3) gjenværende strekkspenning over grenseverdien for sprekkpropagly50 (ca. MPa for 316).

80 grader i surt vann Kvantifiserte HIC-initieringsterskler

Systematisk testing av 316-slanger med kontrollerte restspenningsnivåer og kvantifiserte inklusjonsstringerlengder i NACE TM0177 Solution A (5 % NaCl + 0.5 % eddiksyre, mettet med H2S, pH~3,5) har etablert nøkkelkombinasjonene for HIC-start om 720 timer (ved 80 dager grader) (ved 80 dager).

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 år Ja 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 år akseptabelt
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 år Akseptabelt 100-150 50-100 Perpendicular 500-1,000 50-150 5-10 år Marginal 100-150 100-200 Perpendicular 200-500 150-300 2-5 år Ikke tilrådelig
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Vinkelrett 100-200 200-400 1-3 år Anbefales ikke
150-200 100-200 Perpendicular 50-100 400-800 6-18 måneder Ikke egnet200 50-100 Perpendicular<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 vinkelrett<50 >800 <3 months Not acceptable
Effekt av kaldarbeid og tegneretning på HIC-følsomhet

Under tegneprosessen av 316-rør er MnS-inneslutninger justert parallelt med røraksen. Maksimal gjenværende strekkspenning under trekking for en varmekappe er også aksial (langs rørlengden). Hvis inneslutningene er forlenget parallelt med spenningsretningen, må sprekken forplante seg langs inklusjons-matrisegrensesnittet som ikke er vinkelrett på spenningen-, noe som resulterer i mindre følsomhet for HIC. Imidlertid genererer bøyeoperasjoner (oppretting av U-rør) strekkrestspenninger i bøyleretningen ved den ytre bøyeradiusen. Hvis de tegnings-innredede inneslutningene nå er orientert normalt på denne bøylespenningen, er HIC-susceptibiliteten mye forbedret. Varmeovner bør spesifiseres med rette rør utelukkende (ingen bøyninger), eller med bøyestress lindret etter forming, for sur service. I tillegg begrenser stålfremstillingsprosesser som resulterer i kuleformede i stedet for stringer-inneslutninger (AOD eller VAR-raffinering som skissert i artikkel 24) også den maksimale stringerlengden til under 50 µm, selv ved samme svovelnivå.

Praktisk spesifikasjon for survannsberedere 316

For bruk i vann som inneholder H2S over 10 ppm eller med pH under 6,0 ved temperaturer over 60 grader, er følgende parametere foreslått for 316 innkapslede varmeovner:

Maksimal gjenværende strekkspenning etter alle formingsoperasjoner: 100 MPa (verifisert med røntgendiffraksjon eller ved ASTM G38 U-bøytest uten sprekker etter 100 timer i NACE TM0177-løsning)

Maksimal MnS-stringerlengde: 50 µm (følger ASTM E45, metode A, alvorlighetsgrad mindre enn eller lik 1,0 for type A-sulfider)

Maksimal svovelkonsentrasjon i stål: 0,005 % (50 ppm)

Stålproduksjonspraksis: AOD raffinert eller overlegen (VAR/ESR foretrekkes for viktige tjenester)

Etter-avlastning av bøyespenning: 400-450 grader i 1 time for enhver bøyeradius R/D < 5,0

Hardhet: Maks 22 HRC (220 HV) for redusert hydrogenabsorpsjon

Hvis noen av disse standardene ikke kan nås, anbefales duplex 2205 rustfritt stål (som har betydelig høyere HIC-motstand) eller Alloy 825.

Feltidentifikasjon av HIC-Induserte feil

I HIC i 316 varmekapper utvikles typiske flate, trinnvise-vise sprekker som forplanter seg parallelt med røraksen (hvis inneslutningene er aksiale) eller periferiske (hvis bøylespenningen er utbredt). Flere parallelle sprekker er typiske og ofte ledsaget av blemmer på kappeoverflaten, lokalisert hevelse der metallet har blitt forvrengt av indre hydrogentrykk. Bruddoverflaten viser lav duktilitet og kan ha et "fiske-skala" eller "stige"-utseende når sprekker har slått sammen tilstøtende inklusjonsstrenger. EDS-studien av bruddoverflaten viser svovel fra de opprinnelige MnS-inneslutningene og ytterligere svovel fra korrosjonsprosessen. Hvis disse egenskapene er fraværende i mislykkede varmeovner i surt vann, bør klorid SCC eller gropdannelse undersøkes som mulige feilmoduser.

Konklusjon: Stressmestring og inkluderingsmorfologi for sur service

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 grader), utvikles hydrogen-indusert sprekkdannelse når gjenværende strekkspenning overstiger 100-150 MPa og langstrakte MnS-inkluderingsstrenger overstiger 50-100 µm i lengde orientert vinkelrett på spenningsretningen. Aksial restspenning på grunn av trekking kombinert med parallell-til-akse stringer-inneslutninger er mindre skadelig enn bøyle-restspenning på grunn av bøying som virker på aksialt innrettede inneslutninger. 316 hylster spesifisert for sur service av ingeniører må håndtere restspenning (etter bøyestressavlastning) og inklusjonsmorfologi (lav string umsulphur5, 0). Rammeverket beskrevet her relaterer gjenværende stress og inklusjonslengde til målbare HIC-initieringsperioder. Med dette rammeverket kan kjøperen velge 316-rør for å motstå hydrogensprøhet i det mest fiendtlige sure vannet.