Sulfidno stresno pucanje (SSC) u kiseloj službi: Zašto standardni dupleks možda nije dovoljan za vrhove visokog H2S-a

Kada bunar postane kisel što znači da je u proizvedenoj tekućini prisutan vodik sulfid (H2S), pravila o odabiru materijala se mijenjaju preko noći. Ugljični čelik, glavni proizvod industrije, postaje ranjiv na pukotine izazvane vodikom. Čak i dupleksni nehrđajući čelik, poznat po svojoj čvrstoći i otpornosti na koroziju, ima svoje granice.

Sulfidno stresno puktanje (SSC) jedan je od najpodmuklijih mehanizama neuspjeha u kiseloj usluzi. U kombinaciji sa stresom na vuci, osjetljivim materijalom i okruženjem koje sadrži H2S i vodu, stvaraju naglu, krhka fraktura, često bez vidljive korozije. Za inženjere koji dizajniraju pogone na početku i sredini procesa, važno je razumjeti gdje se odgovara standardni dupleks (UNS S31803/S32205) i gdje nije u skladu s tim.

Ovaj članak objašnjava SSC mehanizam, kako industrija definiira težinu kiselog servisiranja i zašto visoke koncentracije H2S, niski pH i povišene temperature mogu gurati standardni duplex izvan njegove sigurne operativne omotnice prisiljavajući na prelazak na super duplex, legure na bazi nikla ili druge

Razumijevanje sulfidnog stresnog puktanja (SSC)

SSC je oblik krhkoće vodika koji se javlja u prisutnosti H2S. Mehanizam slijedi dobro shvaćeni niz:

1. Sljedeći članak: H2S u prisutnosti vode se disociira, stvarajući atome vodika (H+) na površini metala. Za razliku od molekularnog vodonika (H2), atomski vodonik je dovoljno mali da se difuziše u metalnu mrežu.

2. Uzimanje vodika: H2S djeluje kao "trup", usporavajući rekombinaciju atomskog vodika u molekularni vodik. To prisili atome vodika u čelik umjesto da pobjegnu kao plin.

3. Difuzija i hvatanje u zamku: Vodik se difuzije u regije visokog triaksijalnog napona obično ispred vrhova pukotina, na uključenjima ili u područjima visoke tvrdoće i nakuplja se na defekte rešetke, granicama zrna i faznim interfejsima.

4. U slučaju da se ne primjenjuje, ispitni postupci se provode u skladu s člankom 6. stavkom 2. Akumulirani vodonik smanjuje kohezivnu snagu metalne mreže, što potiče početak pukotina i širenje. Razpukanje se događa pod trajnim napomenama na vladanju, često pod napomenama znatno ispod snage materijala.

SSC se razlikuje od drugih oblika oštećenja usluga:

• S obzirom na to da su u skladu s člankom 77. stavkom 1. U ugljikovom čeliku se javlja bez primjenjenog napona, zbog povećanja pritiska vodika na nemetaličnim uključenjima.

• Svaka vrsta materijala za proizvodnju električne energije: Može se pojaviti u odsustvu H2S, uzrokovan kloridima i stresom na vladanju.

SSC zahtijeva tri istovremena stanja u slučaju da se ne primjenjuje, to znači da je materijal osjetljiv na stres, kiselo okruženje (H2S + voda) i napetost na vladanje (primenjena ili rezidualna).

U skladu s člankom 3. stavkom 1.

Globalni standard za materijale u okruženjima koja sadrže H2S je NACE MR0175 / ISO 15156 - Što? U ovom standardu definirana je kisela hrana na temelju parcijalnog tlaka H2S, pH i drugih parametara okoliša. U skladu s tim se utvrđuju ograničenja za svojstva materijala, posebno tvrdoću, kako bi se spriječilo SSC.

Pragi usluga

U skladu s dijelom 2. standarda ISO 15156 (za ugljične i slabo legirane čelikove) kisela je proizvodnja kada:

• U slučaju da se primjenjuje metoda za izračun emisije CO2 iz plinova, primjenjuje se sljedeća metoda: u plinskoj fazi ili

• U slučaju da se primjenjuje metoda za izračun emisije CO2 iz plinova, primjenjuje se sljedeća metoda: u tekućoj ugljovodoniku s slobodnom vodom.

Za nehrđajuće čelikove i CRA (dio 3) ti su pragovi često niži zbog njihove većeg podložnosti lokalnoj koroziji i SSC-u u specifičnim uvjetima.

Osnovne promjenljive okoliša

Ozbiljnost mršavljenja ovisi o:

Standardni dupleks (2205) u sirovoj službi

U skladu s člankom 3. stavkom 1. točkom (a) ovog članka, "sredstva za upravljanje" znači sredstva za upravljanje kojima se osigurava da su u skladu s člankom 3. točkom (a) ovog članka. U mnogim sirovim uslužnim okruženjima, on se može pouzdano provoditi, ali samo unutar definiranih granica.

Snaga standardnog duplex uređaja

• Smanjenje i smanjenje emisije omogućava tanje zidove i lakše strukture.

• Odolnost na klorid SCC daleko bolji od 316L.

• Odgovornost na koroziju u mnogim naftnim rastvorima.

• Isplativo u usporedbi s legurama na bazi nikla.

Ograničenja i ranjivosti

Standardni duplex ima dobro dokumentirana ograničenja u kiselost usluge:

1. za Granice tvrdoće

U skladu s člankom 3. stavkom 1. točkom (a) ovog članka, za sve vrste nehrđajućih čelika, koje se upotrebljavaju u proizvodnji, za koje se primjenjuje odredba iz točke (a) ovog članka, utvrđuju se sljedeće:

• U slučaju da je proizvodnja materijala u skladu s člankom 6. stavkom 1. točkom (a) ili (b) ovog članka, u skladu s člankom 6. stavkom 1. točkom (a) ovog članka, ne smije se upotrebljavati.

• Svajanje: ≤ 28 HRC (ili ≤ 310 HV)

• U slučaju da je to potrebno, za određene vrste vozila, potrebno je utvrditi:

Ova ograničenja često predstavljaju obavezujuće ograničenje. Ako se zbog zavarivanja ili izrade tvrdoća premaši ove vrijednosti, čak i lokalno, materijal se smatra nespojivim i ugrožen SSC-om.

Standard 2205 u stanju izgaranja rastvorom obično pada ispod 28 HRC, ali hladno oblikovanje (npr. savijanje cijevi) ili nepravilno zavarivanje mogu gurati tvrdoću iznad granice.

2. - Što? Uvođenje u upotrebu

U slučaju da se ne primjenjuje, to se može smatrati kao "izvršavanje" ili "izvršavanje" za određene vrste materijala. Ferit je osjetljiviji na krhkost vodika nego austenit jer se vodik brže difuzije u BCC rešetkama i može se nakupiti na ferit-austenit interfejsima.

U kislim uvjetima pukotine se često pojavljuju u fazi ferita ili duž granica faze, posebno u područjima s visokim rezidualnim stresom.

3. Slijedi sljedeće: Problemi sa spajanjem HAZ-om

U slučaju da se ne kontroliraju brzine hlađenja, zavarivač HAZ u duplexnom stanju može sadržavati višak feritnih ili intermetallicnih faza. U slučaju da se u skladu s člankom 6. stavkom 1. točkom (a) ovog članka ne primjenjuje na proizvod, za proizvodnju koji se upotrebljava u skladu s člankom 6. stavkom 1. točkom (a) ovog članka, za proizvodnju koji se upotrebljava u skladu s člankom 6. točkom (a) ovog članka, potrebno je Za bušotine s visokim udjelom H2S, bilo kakvo povećanje iznad granice tvrdoće je neprihvatljivo.

4. - Što? Ograničenja okoliša

U skladu s člancima iz članka 6. stavka 1. točke (a) i točke (b) Uredbe (EU) br. 528/2012

• p H2S ≤ 0,01 bara (1,0 kPa) u slučaju da se ne primjenjuje, primjenjuje se i druga metoda za utvrđivanje vrijednosti.

• U slučaju da je H2S u stanju da se izluči, potrebno je uzeti u obzir: ako je pH visok (> 5,5) i kloridi niski, ali su potrebna ispitivanje i kvalifikacija.

Nakon ovih raspona, rizik od SSC-a značajno se povećava.

Kada standardni dupleks nije dovoljan

Za vrtiće s visokim udjelom H2S-a često definirane kao one s p H2S-om > 0,01 bar (1 kPa) i posebno > 0,1 bar (10 kPa) standardni dupleks više ne može pružiti odgovarajuću sigurnosnu maržu. Nekoliko faktora čini da je neprikladna:

1. za Visoki parcijalni tlak H2S

Pri p H2S iznad 0,01 bara, protok vodika u metal se eksponencijalno povećava. U skladu s ovim standardom, ograničenja tvrdoće postaju teže održavati, a rizik od SSC pokretanja, čak i pri naponskim uvjetima ispod učinka, raste.

Ispitivanja su pokazala da su u 2205 SSC propali pri pH H2S-u od 0,03 bara u kombinaciji s niskim pH-om (< 4) i visokim rezidualnim napomenima od zavarivanja.

2. - Što? Okruženja s niskim pH-om

Mnoge kisele bunare imaju vodu s pH-om od 3,5 do 4,5 zbog rastvorenog CO2 i H2S. Pod tim uvjetima stopa korozije se povećava, a proizvodnja vodika je agresivnija. Standardni dupleks može patiti od korrozije izravno ili kroz pukotine, koje zatim djeluju kao koncentracije napona za SSC.

3. Slijedi sljedeće: Kombiniranje visokih razina hlora i H2S

Odlična otpornost duplex-a na klorid SCC ugrožena je u prisutnosti H2S. Kombinacija visokih klorida (> 50.000 ppm) i H2S može izazvati mješoviti način krčenja SSC s kloridnom SCC komponentom posebno na temperaturama iznad 80

4. - Što? Podignute temperature

U slučaju da se u slučaju SSC-a pojačaju opasnosti od eksplozije, potrebno je utvrditi razinu i razinu rizika. U ovom režimu može postati osjetljiv standardni dupleks, dok super dupleks ili nikl legure zadržavaju otpornost.

- Pet. Svađeni proizvodi s preostalim stresom

Čak i uz odgovarajuće postupke zavarivanja, ostatak napetosti u zavarivanih spolima cijevi može se približiti snagom otpora. U sirovoj službi, ovi rezidualni napori mogu pokrenuti SSC čak i kada su primijenjeni napori niski. U slučaju standardnih dupleksnih vozila, ograničenje tvrdoće postaje posebno teško za osigurati na složenim zavarilima.

Alternativni materijali za bunare s visokim udjelom H2S-a

U slučaju da se standardni dupleks smatra nedovoljnim, postoje nekoliko alternativa, od kojih svaka ima svoje prednosti i ograničenja.

1. za U skladu s člankom 3. stavkom 1.

Super duplex nudi veći sadržaj legure (25% Cr, 7% Ni, 34% Mo, 0,250,3% N) i veću čvrstoću (iznos ≥ 550 MPa). U usluzi kiselosti, super duplex pruža:

• S druge strane, za sve proizvode koji sadrže ulje, potrebno je utvrditi: , smanjujući rizik od lokalne korozije.

• Bolje otpornost na SSC nego standardni dupleks pri umjerenim razinama H2S.

• Sposobnost za veću temperaturu (do 120°C u nekim primjenama).

Međutim, super dupleks nije panacea. S druge strane, u slučaju da se ne može koristiti za spajanje, potrebno je utvrditi razinu topline. U skladu s člankom 3. stavkom 2. točkom (a) ovog članka, proizvod može se upotrebljavati za proizvodnju električne energije. Za p H2S > 0,1 bar ili vrlo nisko pH, super dupleks može i dalje zahtijevati kvalifikaciju ili se isključiti.

2. - Što? Sklonica s niklovom bazom (sklonica 625, C-276)

U slučaju da je parcijalni tlak H2S veći od 0,1 bara (10 kPa) ili kada je prisutan elementarni sumpor, legure na bazi nikla postaju standardni izbor. Ove legure nude:

• Odgovornost na SSC u skladu s člankom 3. stavkom 1.

• Ne ograničava se tvrdoća u skladu s člankom 3. stavkom 1.

• Izvrstan otpor koroziji u različitim pH, temperaturama i razinama klorida.

Legura 625 (UNS N06625) široko se koristi za cijevi, opremu za dubinu i prekrivenost zavarivanjem. Sklop od aluminija u slučaju da se ne koristi, može se koristiti i za proizvodnju drugih proizvoda.

Nedostatak su troškovi (35× duplex) i vrijeme isporuke, ali za visoko-konsecurentnu sirovu uslugu, oni su često jedina pouzdana opcija.

3. Slijedi sljedeće: U skladu s člankom 3. stavkom 1.

Neki razredovi PH-a poput 17-4PH i 13-8Mo mogu se koristiti u kiseloj službi, ali su jako ograničeni. U skladu s NACE MR0175 ograničavaju se na specifične uvjete toplinske obrade i razine tvrdoće (obično ≤ 31 HRC ili niže). U skladu s člankom 3. stavkom 1. točkom (a) ovog članka, za sve vrste vodika koji se upotrebljavaju u proizvodnji vodika, za koje se primjenjuje točka (b) ovog članka, za koje se primjenjuje točka (c) ovog članka, za koje se primjenjuje točka (d) ovog članka, za koje

4. - Što? Sastav za proizvodnju električne energije

Za cijevi velikog promjera gdje bi čvrsta legura nikla bila troškovno neisplativa, s druge strane, (metalurški vezana) ili s masenim udjelom od 0,15 mm ili više (loš oblog) može se koristiti. Tanak sloj (obično 3 mm) legure 625 ili 825 pruža otpornost na kiselost, dok podloga od ugljikovog čelika pruža strukturnu čvrstoću.

U slučaju da se ne primjenjuje primjena ovog postupka, ne može se koristiti sustav za mjerenje.

Kvalifikacija i testiranje

U slučaju da se ne upotrebljava, potrebno je utvrditi da je materijal za upotrebu u proizvodnji sirovog materijala ili sirovog materijala koji se upotrebljava za proizvodnju sirovog materijala ili sirovog materijala, koji se upotrebljava za proizvodnju sirovog materijala ili sirovog materijala, ne U skladu s ovom standardom:

• Odabir materijala na temelju ograničenja okoliša.

• Ispitivanje tvrdoće u slučaju da je proizvodnja proizvoda u skladu s člankom 3. stavkom 1. točkom (a) ili (b) Uredbe (EZ) br. 1069/2009 u skladu s člankom 3. točkom (c) Uredbe (EZ) br. 1095/2009 u skladu s člankom 3. točkom (c) Uredbe (EZ) br. 1095/2009 u skladu s član

• Testiranje na SSC u slučaju da se u skladu s člankom 3. stavkom 1. točkom (a) ovog članka primjenjuje na materijale koji su izravno izravno izravno izravno izravno izravno izravno izravno izravno izravno izravno izravno izravno izravno izravno izravno izrav

Za standardni dupleks u aplikacijama s visokim udjelom H2S-a, mnogi operateri zahtijevaju ispitivanje dokaza o učinkovitosti u slučaju da se ne primjenjuje primjena ovog članka, za određene proizvode za proizvodnju vodene slijepljine upotrebljava se ispitna metoda.

Praktične preporuke za inženjere

U slučaju da se ne primjenjuje primjena ovog standarda, potrebno je utvrditi da je primjena ovog standarda u skladu s člankom 6. stavkom 1.

1. Opisati okoliš: U slučaju da se ne primjenjuje primjena ovog članka, za određivanje vrijednosti za uzimanje u obzir treba uzeti u obzir:

2. U skladu s člankom 3. stavkom 1. U trećem dijelu navedene su tablice prihvatljivih materijala na temelju tih parametara. Ako je standardni dupleks naveden u posebnim uvjetima, može biti prihvatljiv, ali obratite pozornost na napomene i ograničenja.

3. U slučaju da je to potrebno, mora se provjeriti: U slučaju da je proizvodnja i varenje cijevi u skladu s člankom 6. stavkom 1. točkom (a) ili (b) Uredbe (EU) br. 528/2012 u skladu s člankom 7. stavkom 1. točkom (a) ili (b) Uredbe (EU) br. 528/2012 u skladu s člankom 8. stavkom 2. točkom (a Za cijevi s debelim zidovima ili složene geometrije, to može biti izazov.

4. Razmotrimo ostatak napona: Ako cevovod ima visok ostatak napona (npr. hladno savijeni presjek, nedostatak PWHT-a), rizik od SSC-a raste. Čak i ako je okoliš unutar svojih granica, razmislite o smanjenju ili prelasku na otporniji materijal.

5. Izvršiti procjenu rizika: Razmisli o posljedicama neuspjeha. U slučaju kritičnih sustava (vodovod za vodovod, izolacijski vodovi za HIPPS itd.), dodatni troškovi superdupleksa ili niklove legure lako su opravdani u usporedbi s neplaniranim isključenjem ili sigurnosnim incidentom.

6. U slučaju da se ne primjenjuje, potrebno je utvrditi: U skladu s člankom 3. stavkom 1. Za potrebe ovog članka, za sve proizvode koji sadrže H2O-dioksid, koji se upotrebljavaju u proizvodnji H2O-dioksidnih spojeva, primjenjuje se sljedeći metod:

7. Uvođenje NDE-a i provjere tvrdoće: U slučaju da se ne provodi ispitivanje, ispit mora biti obavljen u skladu s člankom 6. stavkom 2. U slučaju da se ne primjenjuje presjek, za svaki presjek se primjenjuje presjek koji je u skladu s člankom 6. stavkom 1.

Zaključak

Standardni dupleksni nehrđajući čelik (2205) dokazao je svoju vrijednost u mnogim aplikacijama kiselog servisa, nudeći odličnu ravnotežu otpornosti na koroziju, čvrstoće i troškove. Međutim, za visoku količinu H2S-a - one s parcijalnim pritiskom iznad 0,01 bara, niskim pH-om, visokim hloridima ili povišenim temperaturama - to možda nije dovoljno.

Granice tvrdoće, osjetljivost na feritnu fazu i ograničenja zavarivanja dupleksa mogu postati nepremostivni rizici u teškim okruženjima. U takvim slučajevima inženjeri moraju gledati super dupleks s strožom kontrolom procesa, ili češće na legure na bazi nikla poput 625 i C-276. Plošena rješenja mogu ponuditi ekonomičan srednji način za cijevi velikog otvora.

U konačnici, izbor mora biti temeljen na temeljnom razumijevanju okoliša, strogom pridržavanju NACE MR0175/ISO 15156 i realnoj procjeni rizika proizvodnje i rada. U mrzovoljnoj službi, cijena prevencije je uvijek manja od cijene neuspjeha.