Який максимально допустимий поріг корозійного розтріскування під напругою сульфіду має оболонка нагрівача з нержавіючої сталі 316 у NACE TM0177, рішення A при 24 градусах та 80 градусах

Температурна залежність сприйнятливості до SSC аустенітної нержавіючої сталі

Температурний-контроль ризику сульфідного корозійного розтріскування (SSC) електричних нагрівальних труб у кислих робочих середовищах (нафтопромислові водонагрівачі, геотермальні системи або технологічні нагрівачі нафтопереробного заводу) є не-монотонним, тобто ризик не є просто функцією температури. На відміну від хлоридно-індукованого SCC, який є більш серйозним із підвищенням температури, SSC аустенітних нержавіючих сталей, таких як 316, має максимальну сприйнятливість за температури навколишнього середовища (20-30 градусів), і значно знижується при підвищених температурах (понад 80 градусів). 316 у NACE TM0177 Розчин A (5 мас.% NaCl + 0.5 мас.% оцтової кислоти кислота, насичена H2S при 1 атм, pH ~ 2,7-3,0) має порогове напруження для SSC приблизно 60-70% від його межі текучості при 24 градусах. Це означає, що напруги вище 120-140 МПа (для відпаленого 316 з межею текучості ~ 205 МПа) призведуть до розтріскування через 720 годин. При 80 градусах поріг зміщується вгору для досягнення межі текучості (близько до 200 МПа), демонструючи значно меншу сприйнятливість до SSC. У цьому документі порогові значення SSC для 316 оболонок кількісно визначені як функція температури.

Походження температурно-{0}}залежної сприйнятливості SSC

Сульфідне корозійне розтріскування під напругою відбувається, коли атомарний водень, який утворюється в результаті реакції корозії (Fe + H2S → FeS + 2H), дифундує в сталь і робить мікроструктуру крихкою. Для аустенітних нержавіючих сталей, таких як 316, дифузія водню відбувається повільно при кімнатній температурі, оскільки гране{5}}кубічна (FCC) структура призводить до низького коефіцієнта дифузії водню (приблизно від 10-12 до 10-11 см2/с при 25 градусах проти 10-6 см2/с для феритних сталей). Однак холодна обробка в поєднанні з високою твердістю та високою щільністю дислокацій може зробити 316 чутливим. При більш високих температурах (> 60-80 градусів) коефіцієнт дифузії водню збільшується, але толерантність до водню також збільшується, оскільки дислокації можуть зміщуватися для зняття локальних напруг. Швидкість корозії також зростає з температурою, що призводить до більшого утворення водню, але реакція рекомбінації водню менше отруєна H 2 S при вищих температурах. Отже, чистим наслідком є ​​максимальна чутливість до SSC між 20 і 40 градусами та швидке зниження вище 60 градусів.

Кількісно визначені межі SSC при 24 градусах і 80 градусах

Випробування SSC під постійним навантаженням відпаленої нержавіючої сталі 316 із твердістю < 200 HV у NACE TM0177 Solution A встановило наступні порогові напруги для розтріскування протягом звичайного 720-годинного періоду випробування.

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% Середній
Критична взаємодія твердості-Опір SSC

Максимальна твердість 22 HRC (приблизно 250 HV) дозволена для аустенітних нержавіючих сталей у кислих умовах згідно з NACE MR0175/ISO 15156 (специфікація для матеріалів у середовищах, що містять H₂S-). Ця межа твердості відповідає максимуму холодної обробки приблизно 15-20%. У таблиці нижче наведено обмеження твердості та їх вплив на SSC ​​при кімнатній температурі.

Максимальна твердість (HRC) Максимальна твердість (HV) Еквівалентна холодна робота SSC ​​Порогове напруження (МПа, 24 градуси, відпалена основа)316 Прийнятно згідно з NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Так (обмежено)
20-22 230-250 12-18% 100 Граничний
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Практичні рекомендації щодо застосування підігрівача кислих продуктів

Наступні рекомендації базуються на робочій температурі для нагрівачів із оболонкою 316 для використання в H2S (парціальний тиск H2S вище 0,05 psia або концентрація вище 10 ppm у рідкій воді).

Робоча температура (градуси) Парціальний тиск H2S (psi) Максимальна твердість (HRC/HV) Рекомендована термічна обробка після формування Альтернативний сплав<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 Будь-який Будь-який (немає ризику SSC)316 цілком прийнятно Не потрібно
Польова діагностика несправності SSC

Розтріскування від SSC в оболонках нагрівачів 316 зазвичай відбувається через зерна (через зерна), а не міжзернові, часто з розгалуженням, як у хлоридних SCC, але за відсутності значної кількості хлоридів. Існує невелика пластична деформація поверхні зламу, яка може бути плоскою та гранчастою. Найбільш вірогідними місцями утворення тріщин є холодно-оброблені ділянки (наприклад, зовнішній радіус вигинів) і температура нижче 60 градусів. Якщо нагрівач виходить з ладу в системі кислої води, включаючи H 2 S, і поломка відбувається на вигині або холодній-обробленій зоні, а робоча температура навколишнього середовища становить до 50 градусів, SSC слід запідозрити, якщо твердість перевищує приблизно 250 HV, незалежно від твердості.

Висновок: Контроль ризику SSC за допомогою контролю температури та твердості

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 градусів), тому 316 можна безпечно використовувати навіть при більш високих рівнях холодної роботи. Ця структура, описана тут, дозволяє покупцям вибрати 316 оболонок, стійких до сульфідного корозійного розтріскування під напругою в кислих умовах, порівнюючи температуру, твердість і порогову напругу SSC.