Mekkora maximálisan megengedhető szulfidfeszültség-korróziós repedési küszöböt mutat a 316 rozsdamentes acél fűtőburkolat a NACE TM0177 A megoldásban 24 és 80 fokos szögben

Az ausztenites rozsdamentes acél SSC-érzékenységének hőmérsékletfüggősége

Az elektromos fűtőcsövek szulfidos feszültségkorróziós repedésének (SSC) kockázatának hőmérséklet-szabályozása savanyú üzemi környezetben (olajmezős vízmelegítők, geotermikus rendszerek vagy finomítói folyamatfűtők) nem-monoton, azaz a kockázat nem egyszerűen a hőmérséklet függvénye. Eltérően a klorid által indukált SCC-től, amely a hőmérséklet emelkedésével súlyosabb, az ausztenites rozsdamentes acélok, például a 316 SSC maximális érzékenységgel rendelkezik környezeti hőmérsékleten (20-30 fok), és nagymértékben csökken magas hőmérsékleten (80 fok felett) az 1 atm nyomáson H2S-vel telített ecetsav, pH ~ 2,7-3,0) az SSC küszöbfeszültsége a folyáshatár 24 fokon körülbelül 60-70%-a. Ez azt jelenti, hogy a 120-140 MPa-nál nagyobb feszültségek (az izzított 316-nál ~ 205 MPa folyáshatárnál) 720 óra alatt repedést okoznak. 80 foknál a küszöb felfelé tolódik, hogy elérje a folyáshatárt (közel 200 MPa), ami lényegesen kisebb SSC-érzékenységet mutat. Ebben a cikkben a 316 hüvelyre vonatkozó SSC-küszöbértékeket a hőmérséklet függvényében határozzuk meg.

A hőmérséklet{0}}függő SSC-érzékenység eredete

A szulfidos feszültségkorróziós repedés akkor következik be, amikor a korróziós reakcióból (Fe + H2S → FeS + 2H) képződő atomos hidrogén az acélba diffundál és a mikroszerkezetet rideggé teszi. Az ausztenites rozsdamentes acéloknál, mint például a 316, a hidrogén diffúziója lassú szobahőmérsékleten, mivel a felületközpontú köbös (FCC) szerkezet alacsony hidrogéndiffúzivitást eredményez (körülbelül 10-12-10-11 cm2/s 25 fokon, míg a ferrites acéloknál 10-6 cm2/s). Azonban a hidegmunka a nagy keménységgel és a nagy diszlokációs sűrűséggel kombinálva érzékenysé teheti a 316-ot. Magasabb hőmérsékleten (>60-80 fok) megnő a hidrogén diffúziója, de a hidrogénnel szembeni tolerancia is nő, mivel a diszlokációk elmozdulhatnak a helyi feszültségek enyhítésére. A korrózió sebessége is nő a hőmérséklettel, ami több hidrogéntermeléshez vezet, de a hidrogén rekombinációs reakciót kevésbé mérgezi a H 2 S magasabb hőmérsékleten. Így a nettó következmény az SSC-re való maximális érzékenység 20 és 40 fok között, és gyors csökkenés 60 fok felett.

Számszerűsített SSC határértékek 24 fokban és 80 fokban

A 200 HV-nél kisebb keménységű, lágyított 316-os rozsdamentes acél állandó terhelésű SSC-tesztje a NACE TM0177 A megoldásban a következő repedési küszöbfeszültségeket állapította meg a normál 720 órás vizsgálati idő alatt.

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, >350 HV) 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% Közepes
A keménység{0}}SSC-ellenállás kritikus kölcsönhatása

A NACE MR0175/ISO 15156 szerint (a H₂S-tartalmú környezetben lévő anyagokra vonatkozó előírások) 22 HRC (körülbelül 250 HV) maximális keménység megengedett az ausztenites rozsdamentes acéloknál savanyú üzemben. Ez a keménységi határ maximum 15-20%-os hidegmunkának felel meg. Az alábbi táblázat tartalmazza a keménységi korlátozásokat és azok hatásait az SSC-re szobahőmérsékleten.

Maximális keménység (HRC) Maximális keménység (HV) egyenértékű hidegmunka SSC küszöbfeszültség (MPa, 24 fok, lágyított alap)316 Elfogadható a NACE MR0175 szerint<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Igen (korlátozott)
20-22 230-250 12-18% 100 határérték
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Gyakorlati ajánlások savanyú üzemű fűtési alkalmazásokhoz

A következő ajánlások a 316 H2S-szolgáltatásban használt burkolattal ellátott fűtőelem üzemi hőmérsékletén alapulnak (a H2S parciális nyomása 0,05 psia felett vagy 10 ppm feletti koncentráció folyékony vízben).

Üzemi hőmérséklet ( fok ) H2S parciális nyomás (psia) Maximális keménység (HRC/HV) Javasolt utó-alakítási hőkezelés Alternatív ötvözet<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 Bármely Bármilyen (nincs SSC kockázat)316 teljesen elfogadható Nincs szükség
Az SSC hibás működésének helyszíni diagnosztikája

A 316-os fűtőhüvelyekben az SSC-ből történő repedés általában transzgranuláris (a szemcséken keresztül), nem pedig szemcsék közötti, gyakran elágazásokkal, mint a kloridos SCC, de jelentős mennyiségű klorid hiányában. A törésfelületen csekély plasztikus deformáció van, amely lehet lapos és csiszolt. A repedések legvalószínűbb helyei a hideg-megmunkált területek (pl. a hajlítások külső sugara) és a 60 fok alatti hőmérséklet. Ha a fűtőberendezés meghibásodik egy savanyú vízrendszerből, beleértve a H 2 S-t, és a meghibásodás egy kanyarban vagy hidegen megmunkált területen történik, és az üzemi hőmérséklet 50 fokos, akkor SSC-re kell gyanakodni, ha a keménység meghaladja a 250 HV körüli értéket, függetlenül a keménységtől.

Következtetés: SSC kockázatkezelés a hőmérséklet és a keménység szabályozásán keresztül

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 fok), ezért a 316 biztonságosan használható még magasabb szintű hideg munkánál is. Ez az itt leírt keret lehetővé teszi a vásárlók számára, hogy a hőmérséklet, a keménység és az SSC küszöbfeszültség összekapcsolásával 316 olyan burkolatot válasszanak ki, amely ellenáll a szulfidos feszültségkorróziós repedésnek savanyú körülmények között.