При каком сочетании растягивающего остаточного напряжения из-за вытяжки и длины стрингера с включениями сульфидов нагревательная трубка 316 выходит из строя из-за растрескивания, вызванного водородом,-при работе с кислой водой?

Водородное охрупчивание: синергетический эффект стресса и морфологии включения

Водородное-растрескивание (HIC) — это потенциальный вид отказа электронагревательных трубок с оболочкой из нержавеющей стали 316, работающих в кислой воде-водной среде с концентрацией сероводорода (H2S) более 10 частей на миллион, что типично для нефтепромысловых водоподготовок, геотермального отопления и процессов нефтепереработки. HIC в 316 не требует применения анодной поляризации, в отличие от хлоридного коррозионного растрескивания. HIC возникает, когда атомарный водород, образующийся в результате реакции коррозии (Fe + H₂S → FeS + 2H), диффундирует в сталь и рекомбинирует на границах раздела с не-металлическими включениями, создавая внутреннее давление, которое способствует распространению трещин. Восприимчивость к HIC контролируется двумя параметрами: величиной растягивающего остаточного напряжения, возникающего в результате волочения или изгиба трубы, а также длиной и ориентацией включений сульфида марганца (MnS) в стрингере. HIC начинается в кислой воде при температуре 80–100 градусов в течение нескольких недель или месяцев, если остаточное растягивающее напряжение превышает примерно 150 МПа, а длина стрингера включений превышает 50 мкм в направлении, перпендикулярном направлению напряжения. В этой статье оцениваются ключевые комбинации отказов HIC и приводятся предложения по спецификациям материалов для эксплуатации в кислых средах.

Водородный-Механизм растрескивания аустенитной нержавеющей стали 316

316 разъедает сульфид железа (FeS) и атомарный водород в кислой воде. H2S отравляет реакцию рекомбинации водорода (2H → H2), поэтому атомарный водород остается на поверхности металла и диффундирует в аустенитную решетку. Водород быстро диффундирует вдоль границ зерен и улавливается не-неметаллическими включениями, особенно удлиненными стрингерами MnS, где он рекомбинируется в молекулярный водород. Внутреннее давление может достигать 1000 МПа и более, чего достаточно, чтобы вызвать растрескивание окружающей матрицы даже при отсутствии какого-либо внешнего напряжения. При наличии растягивающего остаточного напряжения разрушение распространяется по границе раздела включения и матрицы, соединяя соседние включения в сплошной канал трещины. Для возникновения перфорации вследствие HIC необходимо совпадение трех условий: (1) источника водорода (концентрация H 2 S выше 10 ppm, pH ниже 6 или и то, и другое), (2) удлиненных включений MnS, ориентированных перпендикулярно направлению максимального растягивающего напряжения, и (3) остаточного растягивающего напряжения выше порога распространения трещины (примерно 100-150 МПа для 316).

Количественные пороги инициирования HIC при 80 градусах в кислой воде

Систематические испытания трубок 316 с контролируемыми уровнями остаточного напряжения и количественной длиной стрингеров включений в растворе A NACE TM0177 (5% NaCl + 0.5% уксусной кислоты, насыщенный H2S, pH ~ 3,5) установили ключевые комбинации для начала HIC через 720 часов (30 дней) (при 80 градусах).

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 частей на миллион)<50 Any Any No HIC 0 >10 лет Да 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 лет приемлемо
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 лет Приемлемо 100-150 50-100 Перпендикулярно 500-1,000 50-150 5-10 лет Предельно 100-150 100-200 Перпендикулярно 200-500 150-300 2-5 летНе рекомендуется
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Перпендикулярно 100-200 200-400 1-3 летНе рекомендуется
150-200 100-200 Перпендикулярно 50-100 400-800 6-18 месяцев Не подходит200 50-100 Перпендикулярно<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 Перпендикуляр<50 >800 <3 months Not acceptable
Влияние холодной обработки и направления волочения на восприимчивость к HIC

В процессе волочения трубок из стали 316 включения MnS располагаются параллельно оси трубки. Максимальное растягивающее остаточное напряжение при волочении оболочки нагревателя также является осевым (по длине трубы). Если включения вытянуты параллельно направлению напряжения, то трещине приходится распространяться вдоль границы раздела -матрицы включений, которая не перпендикулярна напряжению-, что приводит к меньшей чувствительности к HIC. Однако операции гибки (создание U-трубы) создают растягивающие остаточные напряжения в окружном направлении на внешнем радиусе изгиба. Теперь, если включения, выровненные по рисунку-, ориентированы перпендикулярно этому натяжению обруча, восприимчивость к HIC значительно увеличивается. Нагреватели следует использовать исключительно с прямыми трубками (без изгибов) или с уменьшенными нагрузками на изгибы после формовки для эксплуатации в кислых средах. Кроме того, процессы производства стали, которые приводят к образованию глобулярных включений вместо стрингеров (рафинирование AOD или VAR, как указано в Статье 24), также ограничивают максимальную длину стрингера ниже 50 мкм даже при том же уровне серы.

Практическая спецификация для нагревателей кислой воды 316

Для эксплуатации в воде, содержащей H2S более 10 частей на миллион или с pH ниже 6,0 при температуре выше 60 градусов, для корпусных нагревателей 316 предлагаются следующие параметры:

Максимальное остаточное напряжение растяжения после всех операций формовки: 100 МПа (проверено методом рентгеновской дифракции или испытанием на U--изгиб ASTM G38 без растрескивания после 100 часов в растворе NACE TM0177)

Максимальная длина стрингера MnS: 50 мкм (в соответствии с ASTM E45, метод A, уровень жесткости менее или равен 1,0 для сульфидов типа A)

Максимальная концентрация серы в стали: 0,005% (50 ppm).

Практика производства стали: AOD очищенная или выше (VAR/ESR предпочтительнее для важных услуг)

Снятие напряжения после-сгибания: 400–450 градусов в течение 1 часа для любого радиуса изгиба R/D < 5,0.

Твердость: Макс. 22 HRC (220 HV) для снижения поглощения водорода.

Если какой-либо из этих стандартов не может быть достигнут, рекомендуется использовать дуплексную нержавеющую сталь 2205 (которая имеет значительно более высокую устойчивость к HIC) или сплав 825.

Идентификация сбоев, вызванных HIC-

В HIC в оболочках нагревателя 316 развиваются типичные плоские, ступенчатые трещины, распространяющиеся параллельно оси трубки (если включения осевые) или окружные (если преобладают кольцевые напряжения). Типичными являются множественные параллельные трещины, которые часто сопровождаются вздутиями на поверхности оболочки, локализованными вздутиями в тех местах, где металл был деформирован внутренним давлением водорода. Поверхность излома обладает низкой пластичностью и может иметь вид «рыбьей чешуи» или «лестницы», когда трещины соединяются с соседними прожилками включений. ЭДС-исследование поверхности излома показывает серу из исходных включений MnS и дополнительную серу из процесса коррозии. Если эти признаки отсутствуют в вышедших из строя нагревателях в кислой воде, то в качестве возможных видов отказа следует рассматривать хлоридный SCC или точечную коррозию.

Заключение: Управление стрессом и морфология включения в кислый сервис

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 частей на миллион, pH<6, temperature >60 градусов), растрескивание, вызванное водородом-, развивается, когда остаточное напряжение растяжения превышает 100-}150 МПа, а удлиненные стрингеры включений MnS превышают 50-}100 мкм в длину, ориентированные перпендикулярно направлению напряжения. Осевое остаточное напряжение из-за вытяжки в сочетании с включениями стрингера, параллельными оси, менее вредно, чем кольцевое остаточное напряжение из-за изгиба, действующего на осевые включения.. 316 оболочки, указанные инженерами для работы в кислой среде, должны выдерживать остаточное напряжение (после снятия напряжения изгиба) и морфологию включений (низкое содержание серы, очистка AOD, максимальная длина стрингера 50 мкм). Описанная здесь структура связывает остаточное напряжение и длину включения с измеримыми периодами инициации HIC. С помощью этой конструкции покупатель может выбрать трубку 316, устойчивую к водородному охрупчиванию в самой агрессивной кислой воде.