Onder welke combinatie van resterende trekspanning door trekken en sulfide-insluiting van de stringerlengte falen de 316 verwarmingsbuizen door waterstof-geïnduceerd scheuren in zuurwatergebruik

Waterstofverbrossing: synergetische effecten van stress en inclusiemorfologie

Waterstof-geïnduceerd kraken (HIC) is een mogelijke storingsoorzaak voor 316 met roestvrij staal omhulde elektrische verwarmingsbuizen in zuurwater-waterige omgevingen met waterstofsulfide (H2S)-concentraties van meer dan 10 ppm, typisch voor waterbehandeling op olievelden, geothermische verwarming en raffinaderijprocessen. HIC in 316 vereist geen toegepaste anodische polarisatie, in tegenstelling tot chloride-spanningscorrosiescheuren. HIC treedt op wanneer atomair waterstof, gegenereerd door de corrosiereactie (Fe + H₂S → FeS + 2H ) in het staal diffundeert en recombineert op niet-metalen insluitingsgrensvlakken, waardoor interne druk ontstaat die scheurvoortplanting stimuleert. De gevoeligheid voor HIC wordt bepaald door twee parameters: de grootte van de restspanning als gevolg van het trekken of buigen van buizen en de lengte en oriëntatie van mangaansulfide (MnS) stringer-insluitsels. HIC begint in zuur water bij 80-100 graden tussen weken tot maanden als de resterende trekspanning ongeveer 150 MPa overschrijdt en de lengte van de insluitingsstringer groter is dan 50 µm in een richting loodrecht op de spanningsrichting. In dit artikel worden de sleutelcombinaties voor HIC-storingen geschat en worden suggesties gegeven voor materiaalspecificaties voor zure service.

Waterstof-geïnduceerd kraakmechanisme van 316 austenitisch roestvrij staal

316 corrodeert tot ijzersulfide (FeS) en atomaire waterstof in zuur water. H2S vergiftigt de waterstofrecombinatiereactie (2H → H2) en daarom blijft de atomaire waterstof op het metaaloppervlak en diffundeert in het austenitische rooster. Waterstof diffundeert snel langs korrelgrenzen en wordt opgesloten in niet-metalen insluitsels, met name in langwerpige MnS-stringers, waar het wordt gerecombineerd tot moleculaire waterstof. De interne druk kan oplopen tot 1000 MPa of meer, genoeg om scheuren in de omringende matrix te veroorzaken, zelfs als er geen externe spanning is. In de aanwezigheid van een resterende trekspanning plant de breuk zich voort langs het grensvlak tussen de insluitsel en de matrix, waardoor de aangrenzende insluitsels worden verbonden tot een continu scheurkanaal. Het optreden van perforatie als gevolg van HIC vereist het samenvallen van drie omstandigheden: (1) een waterstofbron (H 2 S-concentratie boven 10 ppm, pH lager dan 6, of beide), (2) langwerpige MnS-insluitsels die loodrecht op de maximale trekspanningsrichting zijn georiënteerd, en (3) resterende trekspanning boven de drempel voor scheurvoortplanting (ongeveer 100-150 MPa voor 316).

80 graden in zuur water gekwantificeerde HIC-initiatiedrempels

Systematisch testen van 316-buizen met gecontroleerde restspanningsniveaus en gekwantificeerde insluitingsstringerlengtes in NACE TM0177-oplossing A (5% NaCl + 0.5% azijnzuur, verzadigd met H2S, pH ~ 3,5) heeft de sleutelcombinaties voor HIC-aanvang in 720 uur (30 dagen) (bij 80 graden) vastgesteld.

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 jaar Ja 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 jaar Acceptabel
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 jaar Acceptabel 100-150 50-100 Loodrecht 500-1,000 50-150 5-10 jaar Marginaal 100-150 100-200 Loodrecht 200-500 150-300 2-5 jaarNiet aan te raden
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Loodrecht 100-200 200-400 1-3 jaarNiet aangeraden
150-200 100-200 Loodrecht 50-100 400-800 6-18 maanden Niet geschikt200 50-100 Loodrecht<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 Loodrecht<50 >800 <3 months Not acceptable
Effect van koud werken en tekenrichting op HIC-gevoeligheid

Tijdens het trekproces van 316-buizen worden MnS-insluitsels parallel aan de buisas uitgelijnd. De maximale restspanning tijdens het trekken voor een verwarmingsmantel is ook axiaal (langs de buislengte). Als de insluitsels evenwijdig aan de spanningsrichting zijn uitgerekt, moet de scheur zich voortplanten langs het insluitings--matrixgrensvlak dat niet loodrecht op de spanning staat-, wat resulteert in een lagere gevoeligheid voor HIC. Buigbewerkingen (het maken van U--buizen) genereren echter resttrekspanningen in de hoepelrichting bij de buitenste buigradius. Als de getekende-insluitsels loodrecht op deze ringspanning zijn georiënteerd, wordt de HIC-gevoeligheid veel groter. Verwarmingselementen moeten worden gespecificeerd met uitsluitend rechte buizen (geen bochten), of met minder spanning in de bochten na het vormen, voor zure service. Bovendien beperken staalproductieprocessen die resulteren in bolvormige insluitingen in plaats van stringer-insluitingen (AOD- of VAR-raffinage zoals uiteengezet in artikel 24) ook de maximale stringerlengte onder 50 µm, zelfs bij hetzelfde zwavelniveau.

Praktische specificatie voor zuurwaterverwarmingstoestellen 316

Voor gebruik in water dat H2S bevat van meer dan 10 ppm of met een pH lager dan 6,0 bij temperaturen boven de 60 graden, worden de volgende parameters voorgesteld voor 316 omhulde verwarmers:

Maximale resttrekspanning na alle vervormingsbewerkingen: 100 MPa (geverifieerd door röntgendiffractie of door ASTM G38 U-buigtest zonder scheuren na 100 uur in NACE TM0177-oplossing)

Maximale MnS-stringerlengte: 50 µm (volgens ASTM E45, methode A, ernstniveau kleiner dan of gelijk aan 1,0 voor sulfiden van type A)

Maximale zwavelconcentratie in staal: 0,005% (50 ppm)

Staalproductiepraktijk: AOD verfijnd of superieur (VAR/ESR bij voorkeur voor belangrijke service)

Spanningsverlichting na-buiging: 400-450 graden gedurende 1 uur voor elke buigradius R/D < 5,0

Hardheid: Max 22 HRC (220 HV) voor verminderde waterstofopname

Als een van deze normen niet kan worden bereikt, wordt duplex 2205 roestvrij staal (dat een aanzienlijk hogere HIC-weerstand heeft) of legering 825 aanbevolen.

Veldidentificatie van HIC-geïnduceerde fouten

In HIC ontwikkelen zich in 316 verwarmingsmantels typische platte, stapsgewijze scheuren die zich parallel aan de buisas (als de insluitsels axiaal zijn) of omtreksgewijs (als er ringspanning heerst) voortplanten. Meerdere parallelle scheuren zijn typisch en gaan vaak gepaard met blaarvorming op het omhulseloppervlak, plaatselijke zwelling waar het metaal is vervormd door interne waterstofdruk. Het breukoppervlak vertoont een lage ductiliteit en kan het uiterlijk van een "vis--ladder" of "ladder" vertonen wanneer scheuren zich hebben verbonden met aangrenzende insluitingsliggers. De EDS-studie van het breukoppervlak toont zwavel uit de oorspronkelijke MnS-insluitsels en verder zwavel uit het corrosieproces. Als deze eigenschappen ontbreken bij defecte verwarmers in zuur water, moeten chloride-SCC of putjes worden onderzocht als mogelijke faalwijzen.

Conclusie: Stressmanagement en inclusiemorfologie voor zure dienstverlening

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 graden), ontstaat door waterstof-geïnduceerd scheuren wanneer de resterende trekspanning groter wordt dan 100-150 MPa en langwerpige MnS-insluitingsstringers een lengte van meer dan 50-100 µm overschrijden, loodrecht op de spanningsrichting georiënteerd. Axiale restspanning als gevolg van trekken in combinatie met parallelle as-insluitingen van stringers is minder schadelijk dan restspanningen van hoepels als gevolg van buiging die inwerkt op axiaal uitgelijnde insluitingen. . 316 Omhulsels die door ingenieurs zijn gespecificeerd voor zure service moeten de restspanning (na verlichting van de buigspanning) en insluitingsmorfologie (laag zwavelgehalte, AOD-verfijning, maximale stringerlengte 50 um) beheersen. Het hier beschreven raamwerk relateert restspanning en inclusielengte aan meetbare HIC-initiatieperioden. Met dit raamwerk kan de koper 316-buizen selecteren om waterstofverbrossing in het meest vijandige zure water te weerstaan.