Mengapa Tiub Pemanas Elektrik Sarung Keluli Tahan Karat 316 dengan Titanium-Logam Pengisi Kimpalan Terubah Suai Menentang Tegasan Sulfida Retak dalam Perkhidmatan Air Masam pada 80–120 darjah Lebih Berkesan Daripada Kimpalan Autogen?

Air masam, air proses yang mengandungi hidrogen sulfida terlarut, dijana oleh kilang penapisan, loji pemprosesan gas asli dan pencerna anaerobik. Dalam tiub pemanasan elektrik yang mengalir dalam air masam pada 80–120 darjah , gabungan H2S, lembapan dan tegasan baki tegangan menyebabkan keretakan tegasan sulfida (SSC) dalam 316 bahagian keluli tahan karat, terutamanya pada sambungan yang dikimpal. Kimpalan arka tungsten gas autogen (GTAW) daripada 316 sarung keluli tahan karat dicirikan oleh struktur logam kimpalan tuang dengan kumpulan mikro-ferrit diasingkan yang merupakan tapak yang sesuai untuk permulaan patah. Kemasukan titanium dalam logam pengisi kimpalan, terutamanya sebagai elemen penstabil dalam gred seperti AWS ER318 (dengan 0.4–0.7% Ti) secara asasnya mengubah suai struktur mikro logam kimpalan, memperhalusi taburan ferit dan menggalakkan matriks austenit yang lebih seragam dengan rintangan yang lebih baik terhadap serangan peretasan hidrogen dan sulfida. Kertas kerja ini menilai peningkatan dalam rintangan SSC yang disediakan oleh logam pengisi 316 jenis titanium yang diubah suai dalam persekitaran air masam berdasarkan ujian dipercepatkan setiap NACE TM0177 dan data kegagalan medan daripada aplikasi pemanasan air minyak dan gas huluan.

Mekanisme Metalurgi Penstabilan Titanium dalam Logam Kimpalan Sarung Keluli Tahan Karat 316
Kimpalan autogen daripada keluli tahan karat 316, iaitu kimpalan tanpa penambahan logam pengisi, menghasilkan manik kimpalan yang terdiri sepenuhnya daripada-logam asas yang dipadatkan semula. Struktur dupleks austenit primer dan rangkaian sekunder delta-ferit dalam logam kimpalan dihasilkan melalui pemejalan pantas. Peratusan ferit selalunya 5–15% bergantung pada kadar penyejukan dan komposisi. Atom hidrogen yang dihasilkan oleh tindak balas katodik kakisan H2S dalam air masam yang mengandungi H2S (biasanya 50-5000 ppm) meresap ke dalam logam kimpalan. Antara muka ferit{16}}austenit beroperasi sebagai perangkap hidrogen dan fasa ferit terdedah kepada retakan mikro apabila kepekatan hidrogen tempatan mencapai nilai kritikal. Keretakan berlaku pada sempadan ferit-austenit dan menyebabkan kegagalan SSC, yang biasanya berlaku dalam beberapa minggu perkhidmatan.

Titanium ditambah kepada logam pengisi untuk mengawal ferit seperti halnya dengan logam pengisi diubah suai titanium seperti ER318. Titanium lebih suka membentuk titanium karbida (TiC) dan seterusnya mengurangkan jumlah karbon yang tersedia untuk pemendakan kromium karbida. Lebih penting lagi, titanium ialah penstabil austenit semasa pemejalan kimpalan, menghalang pengeluaran rangkaian ferit berterusan. ER318 dengan titanium 0.4–0.7% mengurangkan nombor ferit kimpalan daripada 8–15 biasa untuk kimpalan 316 autogen kepada 2–6. Baki ferit hadir sebagai pulau terpencil dan bukannya sebagai salutan sempadan bijian terjalin. Morfologi ferit tak selanjar menghalang penghasilan saluran retak berterusan melalui logam kimpalan.

Kaedah NACE TM0177 Ujian untuk Rintangan SCC Terkuantiti
Ujian tegangan bagi sampel kimpalan 316 tiub sarung keluli tahan karat telah dijalankan dalam larutan H2S-tepu 5% NaCl dengan 0.5% asid asetik (pH 2.7–3.0) di bawah keadaan piawai mengikut Kaedah NACE TM0177 A untuk menilai keretakan tegasan sulfida. Tiga keadaan kimpalan yang diperiksa ialah GTAW autogenous (tiada pengisi), pengisi ER316L (komposisi karbon rendah 316 biasa, tiada titanium) dan pengisi ER318 (titanium distabilkan, 0.55% Ti). Suhu ujian ialah 80 darjah, tekanan separa H2S ialah 1 bar dan tegasan yang dikenakan ialah 90% daripada kekuatan hasil yang diperhatikan bagi setiap kimpalan. Berikut adalah ringkasan permukaan patah dan masa untuk kajian patah.

Jenis Pengisi Kimpalan Nombor Ferrit Kimpalan (FN) Masa ke Patah SSC (jam, NACE TM0177) Mod Patah Tapak permulaan retak
Autogenous (Tiada Bahan Pengisi)11 – 14 72 – 120 Ferrite-sempadan austenit dalam garis tengah kimpalan Intergranular + transgranular
ER316L (tidak-stabil) 8 – 11 110 – 180 HAZ bersebelahan garis gabungan Intergranular, kebanyakannya melalui kolam ferit
ER318 (titanium distabilkan) 3 – 5 420 – 580<500 h cracking only Transgranular in austenite Isolated islands of ferrite, no connection
ER318 + post weld solution anneal 2 – 4 >720 (ujian berakhir tanpa kegagalan)Tiada keretakan dilihat T/A
Logam kimpalan ER318 berada di atas keperluan NACE TM0177 untuk rintangan SSC dalam persekitaran masam (biasanya 720 jam tanpa kegagalan pada tegasan alah 80%) apabila digunakan bersama dengan parameter kimpalan yang betul untuk mengekalkan nombor ferit di bawah 6. Kimpalan autogenous dan kimpalan ER316L adalah jauh di bawah ambang ambang air ini, yang menjelaskan kegagalannya dengan sangat cepat, di mana ianya sangat cepat.

Perbandingan Prestasi Medan Pemanas Air Masam dalam Penapisan
Prapemanas suapan penarik air masam penapisan, biasanya beroperasi pada 90-110 darjah dengan 200-1000 ppm H 2 S, 50-300 ppm klorida dan pH 5-7, memberikan pengesahan dunia sebenar penemuan makmal. Dalam penilaian 24 bulan ke atas 86 tiub pemanasan elektrik di tiga kilang penapisan, sarung keluli tahan karat 316 yang dikimpal autogen dan ER318 telah dibandingkan untuk kadar kegagalan.

Pemanas menggunakan kimpalan autogenous (42 tiub dalam dua penapisan) mempunyai trend kegagalan 22 tiub (52%) gagal selepas 12 bulan dan 34 tiub (81%) gagal dalam tempoh 24 bulan. Analisis kegagalan mendedahkan bahawa kesemua 34 tiub kimpalan autogen yang gagal mempunyai SSC yang terpancar dari garis tengah kimpalan. Retakan biasa tumbuh melalui 50–80% keratan rentas{12}}kimpalan sebelum tebuk dan sesar tanah.

Pemanas yang dikimpal menggunakan logam pengisi ER318 (44 tiub dalam dua penapisan, nombor ferit kimpalan terhad kepada Kurang daripada atau sama dengan 6) dilakukan dengan ketara berbeza: 2 tiub gagal (4.5%) dalam tempoh 12 bulan (kedua-dua kerosakan pemasangan, bukan SSC) dan 6 tiub gagal (13.6%) dalam tempoh 24 bulan Daripada kegagalan itu, hanya satu yang mendedahkan petunjuk SSC – kimpalan dengan nombor ferit yang dilaporkan 9, yang melebihi keperluan . Lima kegagalan yang lain disebabkan oleh kakisan lubang pada bahagian lurus sarung dan tidak berkaitan kualiti kimpalan.

Sarung kimpalan autogenus mempunyai masa purata antara kegagalan selama 8.5 bulan, manakala sarung kimpalan ER318-mempunyai masa purata antara kegagalan selama 38 bulan - faktor peningkatan sebanyak 4.5. Premium kos untuk menentukan pengisi ER318 dan mengurus nombor ferit kimpalan ialah ~8–12% daripada harga pembelian pemanas, yang menghasilkan peningkatan 350% dalam hayat perkhidmatan.

Pengaruh Post-Rawatan Kimpalan pada Titanium-Kimpalan Stabil
Penyepuhlindapan-penyelesaian kimpalan selepas kimpalan ER318 memberikan rintangan SSC tambahan untuk keadaan air masam yang bermusuhan – H₂S melebihi 1000 ppm, suhu melebihi 100 darjah atau pH di bawah 5.0. Penyepuhlindapan larutan pada 1050 darjah dan pelindapkejutan air menghilangkan sebarang karbida kromium yang mungkin telah terbentuk dan menyeragamkan sepenuhnya struktur mikro -titanium yang stabil. Ujian polarisasi elektrokimia mendedahkan bahawa ketumpatan arus resapan hidrogen untuk penyelesaian-kimpalan ER318 anil ialah 0.08 µA/cm2 dalam H2S-larutan tepu berbanding dengan 0.25 µA/cm2 untuk-kimpalan ER318 dan 0.65 µA yang dikimpal secara automatik. Semakin rendah kebolehtelapan hidrogen, semakin rendah kerentanan terhadap SSC.

Penyepuhlindapan penyelesaian pemanas siap, walau bagaimanapun, selalunya tidak praktikal atas sebab yang sama seperti yang diterangkan dalam artikel sebelumnya: elemen pemanas NiCr dalaman teroksida melebihi 800 darjah, dan pengedap terminal (biasanya seramik atau mika) tidak dapat menahan proses pelindapkejutan. Di mana penyepuhlindapan penyelesaian kimpalan selepas tidak boleh dilaksanakan, pelepasan tegasan suhu yang lebih rendah pada 400–450 darjah selama 2 jam mengurangkan regangan kimpalan baki tanpa merosakkan komponen dalaman. Pengurangan tekanan ini sahaja meningkatkan ambang tegasan untuk SSC sebanyak 15 hingga 20% dalam ujian-beban berterusan, tetapi kurang daripada penyepuhlindapan penuh.

Bahasa Spesifikasi Kimpalan Pemanas Air Masam
Engineers purchasing 316 stainless steel encased electric heating tubes for sour water service containing any measurable H.sub.2.S should specify the following weld specifications: All wetted welds shall be formed with AWS ER318 filler metal (or comparable titanium stabilised 316 type filler) with certified ferrite number between 2 and 6 as determined in accordance with AWS A4.2. For any weld in contact with the process fluid, autogenous GTAW welding without filler is not allowed. Ferrite number measurements on three typical weld coupons shall be included in the welding procedure qualification record (WPQR) . For H 2 S concentrations greater than 300 ppm or operating temperatures greater than 95°C, each production weld shall also be verified for ferrite number by magne-gage or ferritescope and shall be rejected if FN is greater than 6 or less than 2. Specify post-weld stress relief at 425–450°C for 2 hours for H 2 S >aplikasi 1000 ppm. Pertimbangkan untuk mengemas kini keseluruhan sarung kepada aloi 825 atau aloi 625, yang mempunyai rintangan SSC secara semula jadi lebih tinggi daripada mana-mana bahan berasaskan 316 tanpa mengira pemilihan logam pengisi.

Pengetahuan tentang kesan titanium dalam logam pengisi ER318 untuk mengubah suai bentuk ferit logam kimpalan daripada rangkaian berterusan ke pulau terpencil membolehkan jurutera membangunkan prosedur kimpalan yang menghapuskan laluan permulaan SSC utama dalam perkhidmatan pemanasan air masam. Perbelanjaan yang sedikit meningkat bagi pengisi stabil titanium adalah wajar oleh lanjutan hayat 4-5 kali ganda dalam mana-mana pemasangan di mana H 2 S melebihi 50 ppm.