Vilken maximalt tillåten sulfidspänningskorrosionssprickningströskel uppvisar 316 värmemantel av rostfritt stål i NACE TM0177 lösning A vid 24 grader och 80 grader

Temperaturberoende av SSC-känslighet hos austenitiskt rostfritt stål

Temperatur-kontrollen av risken för sulfidspänningskorrosion (SSC) hos elektriska värmerör i sura servicemiljöer (oljefältsvattenberedare, geotermiska system eller raffinaderiprocessvärmare) är icke-monoton, dvs. risken är inte bara en funktion av temperaturen. Till skillnad från kloridinducerad SCC som är allvarligare med stigande temperatur, har SSC för austenitiska rostfria stål såsom 316 maximal känslighet vid omgivningstemperatur (20-30 grader) och reduceras kraftigt vid förhöjda temperaturer (över 80 grader). 316 i NACE TM0177% Na Cl {5%t17% Na w syra, mättad med H2S vid 1 atm, pH ~ 2,7-3,0) har en tröskelspänning för SSC på cirka 60-70% av sin sträckgräns vid 24 grader. Detta innebär att spänningar högre än 120-140 MPa (för glödgade 316 med sträckgräns ~ 205 MPa) kommer att leda till sprickbildning på 720 timmar. Vid 80 grader skiftar tröskeln uppåt för att nå sträckgränsen (nära 200 MPa) vilket visar väsentligt mindre SSC-känslighet. I detta dokument kvantifieras SSC-tröskelvärden för 316 höljen som en funktion av temperaturen.

Temperaturens ursprung-beroende SSC-känslighet

Sulfidspänningskorrosionssprickning uppstår när det atomära vätet som bildas från korrosionsreaktionen (Fe + H2S → FeS + 2H) diffunderar in i stålet och förspröder mikrostrukturen. För austenitiska rostfria stål, som 316, är diffusionen av väte långsam vid rumstemperatur eftersom den yta-centrerade kubiska (FCC) strukturen resulterar i en låg vätediffusivitet (cirka 10-12 till 10-11 cm2/s vid 25 grader mot 10-6 cm2/s för ferritiska stål). Men kallt arbete, i kombination med hög hårdhet och hög dislokationsdensitet, kan göra 316 mottaglig. Vid högre temperaturer (> 60-80 grader) ökar diffusiviteten för väte, men toleransen mot väte ökar också eftersom dislokationer kan skifta för att lindra lokala påfrestningar. Även korrosionshastigheten ökar med temperaturen vilket leder till mer väteproduktion, men väterekombinationsreaktionen förgiftas mindre av H 2 S vid högre temperaturer. Nettokonsekvensen är därför en maximal känslighet för SSC mellan 20 och 40 grader och en snabb minskning över 60 grader.

Kvantifierade SSC-gränser vid 24 grader och 80 grader

SSC-testningen med konstant belastning av glödgat 316 rostfritt stål, med en hårdhet på < 200 HV, i NACE TM0177 lösning A, har fastställt följande tröskelspänningar för sprickbildning under den normala 720 timmars testperioden.

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 % Måttlig
Den kritiska interaktionen mellan hårdhet-SSC-motstånd

En maximal hårdhet på 22 HRC (cirka 250 HV) är tillåten för austenitiska rostfria stål i sur drift enligt NACE MR0175/ISO 15156 (specifikationen för material i miljöer som innehåller H₂S-). Denna hårdhetsgräns motsvarar maximalt kallarbete på ca 15-20%. Tabellen nedan visar hårdhetsbegränsningar och deras implikationer på SSC vid rumstemperatur.

Maximal hårdhet (HRC) Maximal hårdhet (HV) Ekvivalent kallarbete SSC tröskelspänning (MPa, 24 grader, glödgat bas)316 Acceptabelt enligt NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Ja (begränsat)
20-22 230-250 12-18% 100 Marginal
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Praktiska rekommendationer för Sour Service Heater-applikationer

Följande rekommendationer är baserade på driftstemperatur för 316 mantlade värmare för användning i H2S-drift (partialtryck av H2S över 0,05 psia eller koncentration över 10 ppm i flytande vatten).

Driftstemperatur (grad) H2S partialtryck (psia) Maximal hårdhet (HRC/HV) Rekommenderad värmebehandling efter-formning Alternativ 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 Alla Alla (ingen SSC-risk)316 helt acceptabelt Inget krävs
Fältdiagnos av SSC-fel

Sprickbildning från SSC i 316 värmehylsor är vanligtvis transgranulär (genom kornen) snarare än intergranulär, ofta med förgrening som klorid SCC men i brist på betydande klorider. Det finns liten plastisk deformation av brottytan som kan vara plan och facetterad. De mest troliga platserna för sprickbildning är kalla-bearbetade områden (t.ex. den yttre radien av kurvor) och temperaturer under 60 grader . Om en värmare går sönder från ett survattensystem inklusive H 2 S, och haveriet är vid en böj eller kall-bearbetad yta och drifttemperaturen är omgivande till 50 grader, bör SSC misstänkas om hårdheten överstiger runt 250 HV, oavsett hårdhet.

Slutsats: SSC Riskkontroll via temperatur- och hårdhetskontroll

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 grader) därför kan 316 säkert användas även vid högre nivåer av kallt arbete. Detta ramverk som beskrivs här gör det möjligt för köpare att välja 316 höljen som är resistenta mot sulfidspänningskorrosionssprickor under sura förhållanden genom att relatera temperatur, hårdhet och SSC-tröskelspänning.