Di bawah Gabungan Tegasan Sisa Tegangan daripada Lukisan dan Penyertaan Sulfida Panjang Stringer Apakah 316 Tiub Pemanas Gagal oleh Hidrogen-Retak Tercetus dalam Perkhidmatan Air Masam

Kerosakan Hidrogen: Kesan Sinergis Stres dan Morfologi Rangkuman

Retak teraruh hidrogen (HIC) ialah mod kegagalan yang berpotensi untuk tiub pemanasan elektrik bersarung keluli tahan karat 316 dalam perkhidmatan air masam-persekitaran berair dengan kepekatan hidrogen sulfida (H2S) melebihi 10 ppm, tipikal rawatan air medan minyak, pemanasan geoterma dan proses penapisan. HIC dalam 316 tidak memerlukan polarisasi anodik yang digunakan, tidak seperti retakan kakisan tegasan klorida . HIC berlaku apabila hidrogen atom, yang dihasilkan oleh tindak balas kakisan ( Fe + H₂S → FeS + 2H ) meresap ke dalam keluli dan bergabung semula pada antara muka kemasukan bukan{10}}logam, mewujudkan tekanan dalaman yang mendorong perambatan retak . Kecenderungan kepada HIC dikawal oleh dua parameter, magnitud tegasan sisa tegangan yang terhasil daripada lukisan atau lenturan tiub dan panjang dan orientasi kemasukan rentetan mangan sulfida (MnS). HIC bermula dalam air masam pada 80-100 darjah antara minggu hingga bulan jika tegasan tegangan sisa melebihi sekitar 150 MPa dan panjang rentetan kemasukan melebihi 50 µm dalam arah yang berserenjang dengan arah tegasan. Artikel ini menganggarkan kombinasi utama untuk kegagalan HIC dan menyediakan cadangan untuk spesifikasi bahan untuk perkhidmatan masam.

Hidrogen-Mekanisme Keretakan Teraruh Keluli Tahan Karat Austenit 316

316 menghakis kepada ferus sulfida ( FeS ) dan hidrogen atom dalam air masam . H2S meracuni tindak balas penggabungan semula hidrogen (2H → H2) dan dengan itu hidrogen atom kekal pada permukaan logam dan meresap ke dalam kekisi austenit. Hidrogen meresap pantas di sepanjang sempadan butiran dan terperangkap pada-kemasukan bukan logam, terutamanya rentetan MnS yang memanjang, di mana ia digabungkan semula kepada hidrogen molekul. Tekanan dalaman boleh setinggi 1,000 MPa atau lebih, cukup untuk mendorong keretakan dalam matriks sekeliling walaupun tanpa sebarang tekanan luaran. Dengan kehadiran tegasan sisa tegangan, patah merambat di sepanjang antara muka antara kemasukan dan matriks, menyambungkan kemasukan jiran ke dalam saluran retak berterusan. Kejadian penembusan akibat HIC memerlukan kebetulan tiga keadaan: (1) sumber hidrogen (kepekatan H 2 S melebihi 10 ppm, pH di bawah 6, atau kedua-duanya), (2) rangkuman MnS memanjang berorientasikan serenjang dengan arah tegasan tegangan maksimum, dan (3) tegasan tegangan sisa di atas ambang untuk pembiakan lebih kurang MP601 (1500) untuk penyebaran retakan.

80 darjah dalam Ambang Permulaan HIC Dikira Air Masam

Ujian sistematik 316 tiub dengan tahap tegasan baki terkawal dan panjang rentetan kemasukan yang dikira dalam Penyelesaian NACE TM0177 A (5% NaCl + 0.5% asid asetik, sat'd dengan H2S, pH~3.5) telah mewujudkan kombinasi utama untuk permulaan HIC dalam 720 jam (30 hari) (pada 80 hari) (pada 80 hari)).

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 tahun Ya 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 tahun Boleh Diterima
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 tahun Boleh Diterima 100-150 50-100 Serenjang 500-1,000 50-150 5-10 tahun Marginal 100-150 100-200 Serenjang 200-500 150-300 2-5 tahunTidak digalakkan
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Serenjang 100-200 200-400 1-3 tahunTidak dinasihatkan
150-200 100-200 Serenjang 50-100 400-800 6-18 bulan Tidak sesuai200 50-100 Serenjang<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 Serenjang<50 >800 <3 months Not acceptable
Kesan Kerja Dingin dan Arah Lukisan terhadap Kecenderungan HIC

Semasa proses lukisan tiub 316, kemasukan MnS dijajarkan selari dengan paksi tiub. Tegasan baki tegangan maksimum semasa melukis untuk sarung pemanas juga berpaksi (sepanjang tiub). Jika rangkuman dipanjangkan selari dengan arah tegasan, maka retak itu perlu merambat di sepanjang-antara muka matriks kemasukan yang tidak berserenjang dengan tegasan- menyebabkan kepekaan yang lebih rendah kepada HIC. Walau bagaimanapun, operasi lenturan (penciptaan tiub U-) menjana tegasan baki tegangan dalam arah gelung pada jejari selekoh luar. Sekarang jika rangkuman sejajar lukisan-diorientasikan normal kepada ketegangan gelung ini, kerentanan HIC jauh dipertingkatkan. Pemanas hendaklah dinyatakan dengan tiub lurus secara eksklusif (tiada bengkok), atau dengan tekanan selekoh dikurangkan selepas dibentuk, untuk perkhidmatan masam. Di samping itu, proses pembuatan keluli yang menghasilkan rangkuman globular dan bukannya rentetan (pemurnian AOD atau VAR seperti yang digariskan dalam Perkara 24) juga mengehadkan panjang rentetan maksimum di bawah 50 µm, walaupun pada paras sulfur yang sama.

Spesifikasi praktikal untuk pemanas perkhidmatan air masam 316

Untuk perkhidmatan dalam air yang mengandungi H2S melebihi 10 ppm atau dengan pH di bawah 6.0 pada suhu melebihi 60 darjah , parameter berikut dicadangkan untuk 316 pemanas berbungkus:

Tegasan tegangan sisa maksimum selepas semua operasi membentuk: 100 MPa (disahkan oleh pembelauan sinar X-atau oleh ujian lenturan ASTM G38 U-tanpa keretakan selepas 100 jam dalam larutan NACE TM0177)

Panjang rentetan MnS maksimum: 50 µm (mengikut ASTM E45, kaedah A, tahap keterukan Kurang daripada atau sama dengan 1.0 untuk sulfida jenis A)

Kepekatan sulfur maksimum dalam keluli: 0.005% (50ppm)

Amalan pembuatan keluli:AOD diperhalusi atau unggul (VAR/ESR lebih disukai untuk perkhidmatan penting)

Selepas-pelepasan tekanan lentur: 400-450 darjah selama 1 jam untuk sebarang jejari selekoh R/D < 5.0

Kekerasan: Max 22 HRC (220 HV) untuk mengurangkan penyerapan hidrogen

Jika mana-mana piawaian ini tidak dapat dicapai, keluli tahan karat dupleks 2205 (yang mempunyai rintangan HIC yang jauh lebih tinggi) atau Aloi 825 disyorkan.

Pengenalpastian Medan HIC-Kegagalan Terinduksi

Dalam HIC dalam 316 sarung pemanas biasa rata, retak-berlangkah merambat selari dengan paksi tiub (jika kemasukan adalah paksi) atau lilitan (jika tegasan gelung berleluasa). Retakan selari berbilang adalah tipikal dan selalunya disertai dengan melepuh pada permukaan sarung, bengkak setempat di mana logam telah diherotkan oleh tekanan hidrogen dalaman. Permukaan patah mempamerkan kemuluran yang rendah dan boleh menampilkan rupa "skala-ikan" atau "tangga" apabila retakan telah bercantum dengan rentetan kemasukan bersebelahan. Kajian EDS permukaan patah menunjukkan sulfur daripada kemasukan MnS asal dan sulfur lanjut daripada proses kakisan. Jika ciri-ciri ini tiada dalam pemanas yang gagal dalam air masam, maka klorida SCC atau pitting harus diperiksa sebagai mod kegagalan yang mungkin.

Kesimpulan: Pengurusan Tekanan dan Morfologi Kemasukan untuk Perkhidmatan Masam

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 darjah ), keretakan akibat hidrogen-berkembang apabila tegasan baki tegangan melebihi 100-150 MPa dan rentetan kemasukan MnS memanjang melebihi 50-100 µm panjang berorientasikan serenjang dengan arah tegasan. Tegasan baki paksi akibat lukisan digabungkan dengan rangkuman rentetan selari-ke-paksi adalah kurang berbahaya daripada tegasan baki gelung disebabkan oleh lenturan yang bertindak pada sarung rangkuman berjajar paksi. 316 yang ditentukan untuk perkhidmatan masam oleh jurutera mesti mengurus tegasan baki (selepas pelepasan tegasan lentur) dan morfologi kemasukan (sulfur rendah, rentetan maksimum AOD). Rangka kerja yang diterangkan di sini mengaitkan tekanan sisa dan panjang kemasukan dengan tempoh permulaan HIC yang boleh diukur. Dengan rangka kerja ini, pembeli boleh memilih tiub 316 untuk menahan kerosakan hidrogen dalam air masam yang paling bermusuhan.