Какой максимально допустимый порог сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением демонстрирует оболочка нагревателя из нержавеющей стали 316 в растворе A NACE TM0177 при 24 градусах и 80 градусах

Температурная зависимость чувствительности аустенитной нержавеющей стали к SSC

Температурный-контроль риска сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением (SSC) электрических нагревательных трубок в кислых средах (водонагреватели нефтяных месторождений, геотермальные системы или технологические нагреватели нефтеперерабатывающих заводов) является не-монотонным, т. е. риск не является просто функцией температуры. В отличие от хлоридного SCC, который становится более серьезным с повышением температуры, SSC аустенитных нержавеющих сталей, таких как 316, имеет максимальную восприимчивость при температуре окружающей среды (20-30 градусов) и значительно снижается при повышенных температурах (более 80 градусов) . 316 в NACE TM0177 Раствор A (5 мас. % NaCl + 0.5 мас. % уксусной кислоты, насыщенный H2S при 1 атм, pH ~ 2.7-3.0) имеет пороговое напряжение SSC около 60-70% предела текучести при 24 градусах. Это значит, что напряжения выше 120-140 МПа (для отожженного 316 с пределом текучести ~205 МПа) приведут к растрескиванию через 720 часов. При 80 градусах порог смещается вверх и достигается предел текучести (около 200 МПа), демонстрирующий существенно меньшую восприимчивость к SSC. В этой статье пороги SSC для 316 оболочек количественно определены как функция температуры.

Происхождение чувствительности к SSC,-зависимой от температуры

Сульфидное коррозионное растрескивание под напряжением происходит, когда атомарный водород, образующийся в результате реакции коррозии (Fe + H2S → FeS + 2H), диффундирует в сталь и делает микроструктуру хрупкой. В аустенитных нержавеющих сталях, таких как 316, диффузия водорода происходит медленно при комнатной температуре, поскольку гранецентрированная кубическая (FCC) структура приводит к низкой диффузии водорода (от 10-12 до 10-11 см2/с при 25 градусах против 10-6 см2/с для ферритных сталей). Однако холодная обработка в сочетании с высокой твердостью и высокой плотностью дислокаций может сделать 316 восприимчивым. При более высоких температурах (> 60-80 градусов) коэффициент диффузии водорода увеличивается, но устойчивость к водороду также увеличивается, поскольку дислокации могут смещаться, чтобы снять локальные напряжения. Кроме того, скорость коррозии увеличивается с температурой, что приводит к увеличению производства водорода, но реакция рекомбинации водорода менее отравлена ​​H 2 S при более высоких температурах. Следовательно, конечным последствием является максимальная восприимчивость к SSC между 20 и 40 градусами и быстрое снижение температуры выше 60 градусов.

Количественные пределы SSC при 24 градусах и 80 градусах

Испытание SSC при постоянной нагрузке отожженной нержавеющей стали 316 с твердостью < 200 HV в соответствии с NACE TM0177 Solution A установило следующие пороговые напряжения для растрескивания в течение обычного 720-часового периода испытаний.

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 ВН) 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% умеренный
Критическое взаимодействие твердости-сопротивления SSC

Максимальная твердость 22 HRC (около 250 HV) разрешена для аустенитных нержавеющих сталей, работающих в кислых средах, в соответствии с NACE MR0175/ISO 15156 (спецификация для материалов в средах, содержащих H₂S-). Этот предел твердости соответствует максимуму холодной обработки около 15-20%. В таблице ниже представлены ограничения твердости и их влияние на SSC ​​при комнатной температуре.

Максимальная твердость (HRC) Максимальная твердость (HV) Эквивалент холодной обработки SSC Пороговое напряжение (МПа, 24 градуса, отожженное основание)316 Приемлемо согласно NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Да (ограничено)
20-22 230-250 12-18 % 100 маржинальный
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Практические рекомендации для нагревателей, работающих в кислой среде

Следующие рекомендации основаны на рабочей температуре для 316 защитных нагревателей, предназначенных для работы с H2S (парциальное давление H2S выше 0,05 фунтов на квадратный дюйм или концентрация выше 10 частей на миллион в жидкой воде).

Рабочая температура (градусы) Парциальное давление H2S (псии) Максимальная твердость (HRC/HV) Рекомендуемая термообработка после-формования Альтернативный 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 Любой Любой (нет риска SSC)316 полностью приемлемо Не требуется
Полевая диагностика неисправности SSC

Растрескивание от SSC в оболочках нагревателя 316 обычно происходит транскристаллитно (сквозь зерна), а не межкристаллитно, часто с разветвлением, как у хлорида SCC, но при отсутствии существенных хлоридов. Поверхность излома незначительна, пластическая деформация может быть плоской и граненой. Наиболее вероятными местами образования трещин являются участки холодной-обработки (например, внешний радиус изгибов) и температуры ниже 60 градусов. Если нагреватель выходит из строя из-за системы кислой воды, содержащей H 2 S, и поломка происходит на изгибе или в зоне холодной -обработки, а рабочая температура составляет окружающую температуру до 50 градусов, следует заподозрить SSC, если твердость превышает примерно 250 HV, независимо от твердости.

Вывод: контроль рисков SSC посредством контроля температуры и твердости

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 градусов), поэтому 316 можно безопасно использовать даже при более высоких уровнях холодных работ. Описанная здесь система позволяет покупателям выбирать 316 оболочек, устойчивых к сульфидному коррозионному растрескиванию в кислых условиях, путем сопоставления температуры, твердости и порогового напряжения SSC.