Welke maximaal toelaatbare sulfidespanning, corrosiescheurdrempel vertoont de 316 roestvrijstalen verwarmingsmantel in NACE TM0177 oplossing A bij 24 graden en 80 graden

Temperatuurafhankelijkheid van SSC-gevoeligheid van austenitisch roestvrij staal

De temperatuurbeheersing-van het risico op sulfidespanningscorrosie (SSC) van elektrische verwarmingsbuizen in zure omgevingen (waterverwarmers op olievelden, geothermische systemen of procesverwarmers van raffinaderijen) is niet-monotoon, dat wil zeggen dat het risico niet simpelweg een functie is van de temperatuur. Anders dan door chloride geïnduceerde SCC, die ernstiger wordt naarmate de temperatuur stijgt, heeft SSC van austenitisch roestvast staal zoals 316 een maximale gevoeligheid bij omgevingstemperatuur (20-30 graden) en wordt deze sterk verminderd bij verhoogde temperaturen (boven 80 graden). 316 in NACE TM0177 oplossing A (5 gew.% NaCl + 0.5 gew.% azijnzuur, verzadigd met H2S bij 1 atm, pH ~ 2,7-3,0) heeft een drempelspanning voor SSC van ongeveer 60-70% van de vloeigrens bij 24 graden. Dit betekent dat spanningen hoger dan 120-140 MPa (voor gegloeid 316 met vloeigrens ~ 205 MPa) binnen 720 uur tot scheuren zullen leiden. Bij 80 graden verschuift de drempel naar boven om de vloeigrens te bereiken (bijna 200 MPa), wat aanzienlijk minder SSC-gevoeligheid laat zien. In dit artikel worden SSC-drempels voor 316 omhulsels gekwantificeerd als functie van de temperatuur.

Oorsprong van de temperatuur-Afhankelijke SSC-gevoeligheid

Sulfide-spanningscorrosiescheuren treden op wanneer de atomaire waterstof die wordt gevormd door de corrosiereactie (Fe + H2S → FeS + 2H) in het staal diffundeert en de microstructuur bros maakt. Voor austenitisch roestvast staal, zoals 316, is de diffusie van waterstof langzaam bij kamertemperatuur, omdat de vlak-gecentreerde kubieke (FCC) structuur resulteert in een lage waterstofdiffusie (ongeveer 10-12 tot 10-11 cm2/s bij 25 graden tegen 10-6 cm2/s voor ferritisch staal). Koud werk, gecombineerd met een hoge hardheid en hoge dislocatiedichtheid, kan 316 echter gevoelig maken. Bij hogere temperaturen (> 60-80 graden) neemt de diffusiviteit van waterstof toe, maar de tolerantie voor waterstof neemt ook toe omdat dislocaties kunnen verschuiven om lokale spanningen te verlichten. Ook neemt de corrosiesnelheid toe met de temperatuur, wat leidt tot meer waterstofproductie, maar de waterstofrecombinatiereactie wordt bij hogere temperaturen minder vergiftigd door H 2 S. Het netto gevolg is dus een maximale gevoeligheid voor SSC tussen 20 en 40 graden en een snelle afname boven 60 graden.

Gekwantificeerde SSC-limieten bij 24 graden en 80 graden

De SSC-test met constante belasting van gegloeid roestvrij staal 316, met een hardheid van < 200 HV, in NACE TM0177 oplossing A, heeft de volgende drempelspanningen voor scheurvorming gedurende de normale testperiode van 720 uur vastgesteld.

Temperature (°C) Material Condition Yield Strength (0.2% offset, MPa) Threshold Stress for SSC (MPa, 720h)Threshold Stress as % of Yield SSC Susceptibility Rating 24 Annealed (150-180 HV) 205 120-140 60-70% Moderate 24 Cold-worked (20%, 250-300 HV) 400-500 80-120 (absolute) 20-30% High 24 Hard-drawn (>35% CW, >350HV) 550-700<50 (absolute) <10%Severe 80Annealed 190 (derated) 170-190 90-100% Low 80 Cold-worked (20%) 350-450 250-350 70-80% Moderate 80 Hard-drawn (>35% CW) 500-650 300-500 60-70% Matig
De cruciale interactie tussen hardheid-SSC-weerstand

Een maximale hardheid van 22 HRC (ongeveer 250 HV) is toegestaan ​​voor austenitisch roestvast staal in zuur gebruik volgens NACE MR0175/ISO 15156 (de specificatie voor materialen in H₂S--houdende omgevingen). Deze hardheidsgrens komt overeen met een maximum koudvervorming van ongeveer 15-20%. De onderstaande tabel geeft hardheidsbeperkingen en hun implicaties voor SSC bij kamertemperatuur.

Maximale hardheid (HRC) Maximale hardheid (HV) Equivalent koud werk SSC drempelspanning (MPa, 24 graden, gegloeide basis)316 Aanvaardbaar volgens NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Ja (beperkt)
20-22 230-250 12-18% 100 Marginaal
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Praktische aanbevelingen voor toepassingen van zure verwarmingstoestellen

De volgende aanbevelingen zijn gebaseerd op de bedrijfstemperatuur voor 316 verwarmingselementen met mantel voor gebruik in H2S-service (partiële druk van H2S boven 0,05 psia of concentratie boven 10 ppm in vloeibaar water).

Bedrijfstemperatuur ( graden ) H2S partiële druk (psia) Maximale hardheid (HRC/HV) Aanbevolen warmtebehandeling na-vormen Alternatieve legering<30 <0.05 22/250 Stress relief 400-450°C 316 acceptable <30 0.05-0.5 20/230 Full solution anneal + stress relief 316L preferred <30 >0.5 18/210 Full solution anneal Duplex 2205 recommended 30-60 Any 22/250No need (reduced susceptibility) 316 acceptable 60-80 Any 25/280316 accept None necessary (low susceptibility) >80 Willekeurig Willekeurig (geen SSC-risico)316 volledig aanvaardbaar Geen vereist
Velddiagnose van SSC-storing

Het kraken van SSC in 316 verwarmingsmantels is gewoonlijk transgranulair (door de korrels heen) in plaats van intergranulair, vaak met vertakkingen zoals bij chloride-SCC, maar zonder substantiële chloriden. Er is weinig plastische vervorming van het breukoppervlak dat vlak en gefacetteerd kan zijn. De meest waarschijnlijke plaatsen voor barsten zijn koude-bewerkte gebieden (bijvoorbeeld de buitenste straal van bochten) en temperaturen onder de 60 graden. Als een verwarming defect raakt in een zuurwatersysteem inclusief H 2 S, en de storing zich in een bocht of in een koud-werkgebied bevindt en de bedrijfstemperatuur 50 graden bedraagt, moet er sprake zijn van SSC als de hardheid boven de 250 HV komt, ongeacht de hardheid.

Conclusie: SSC-risicobeheersing via temperatuur- en hardheidscontrole

316 stainless steel encased heaters in sour service (H2S-containing environments) have peak vulnerability to SSC at ambient to 40°C, and drops dramatically above 60°C. The threshold stress for SSC in NACE TM0177 Solution A at 24°C is about 60-70% of yield strength (120-140 MPa for annealed 316). At 80C the threshold climbs to near yield strength (170-190 MPa) suggesting substantially lesser danger. For sour service with 316 sheaths, NACE MR0175 requires that the hardness does not exceed 22 HRC (250 HV) when operating below 60°C. Hardness is less important for higher temperature operations (>60 graden) daarom kan 316 veilig worden gebruikt, zelfs bij hogere niveaus van koud werk. Met dit hier beschreven raamwerk kunnen kopers 316 mantels selecteren die bestand zijn tegen scheuren door sulfidespanningscorrosie in zure omstandigheden door temperatuur, hardheid en SSC-drempelspanning met elkaar in verband te brengen.