Ngưỡng nứt ăn mòn ứng suất sunfua tối đa cho phép nào Triển lãm vỏ bọc lò sưởi bằng thép không gỉ 316 trong NACE TM0177 Giải pháp A ở 24 độ và 80 độ

Sự phụ thuộc nhiệt độ của SSC Độ nhạy của thép không gỉ Austenitic

Việc kiểm soát nhiệt độ-đối với nguy cơ nứt do ăn mòn ứng suất sunfua (SSC) của ống gia nhiệt điện trong môi trường dịch vụ chua (máy đun nước nóng ở mỏ dầu, hệ thống địa nhiệt hoặc máy gia nhiệt quy trình lọc dầu) không-đơn điệu, tức là rủi ro không chỉ đơn giản là một hàm số của nhiệt độ. Khác với SCC do clorua gây ra nghiêm trọng hơn khi nhiệt độ tăng, SSC của thép không gỉ austenit như 316 có độ nhạy tối đa ở nhiệt độ môi trường (20-30 độ) và giảm đáng kể ở nhiệt độ cao (trên 80 độ). 316 trong NACE TM0177 Dung dịch A (5 wt% NaCl + 0.5 wt% axit axetic, bão hòa H2S ở 1 atm, pH ~ 2.7-3.0) có ứng suất ngưỡng đối với SSC khoảng 60-70% giới hạn chảy của nó ở 24 độ. Điều này có nghĩa là ứng suất cao hơn 120-140 MPa (đối với 316 được ủ với cường độ chảy ~ 205 MPa) sẽ dẫn đến nứt trong 720 giờ. Ở 80 độ, ngưỡng dịch chuyển lên trên để đạt cường độ chảy dẻo (gần 200 MPa) cho thấy mức độ nhạy cảm với SSC ít hơn đáng kể. Trong bài báo này, ngưỡng SSC cho 316 vỏ bọc được định lượng dưới dạng hàm của nhiệt độ.

Nguồn gốc của nhiệt độ-Tính nhạy cảm với SSC phụ thuộc

Vết nứt do ăn mòn ứng suất sunfua xảy ra khi hydro nguyên tử được hình thành từ phản ứng ăn mòn (Fe + H2S → FeS + 2H) khuếch tán vào thép và làm giòn cấu trúc vi mô. Đối với thép không gỉ austenit, chẳng hạn như 316, sự khuếch tán hydro chậm ở nhiệt độ phòng do cấu trúc hình khối tâm-trung tâm (FCC) dẫn đến độ khuếch tán hydro thấp (khoảng 10-12 đến 10-11 cm2/s ở 25 độ so với 10-6 cm2/s đối với thép ferit). Tuy nhiên, gia công nguội kết hợp với độ cứng cao và mật độ trật khớp cao có thể khiến 316 dễ bị tổn thương. Ở nhiệt độ cao hơn ( > 60-80 độ ), độ khuếch tán của hydro tăng lên, nhưng khả năng chịu đựng hydro cũng tăng lên vì sự sai lệch có thể dịch chuyển để giảm bớt ứng suất cục bộ. Ngoài ra, tốc độ ăn mòn tăng theo nhiệt độ dẫn đến sản xuất nhiều hydro hơn, nhưng phản ứng tái hợp hydro ít bị nhiễm độc H 2 S hơn ở nhiệt độ cao hơn. Do đó, hậu quả cuối cùng là độ nhạy cảm tối đa đối với SSC là từ 20 đến 40 độ và giảm nhanh trên 60 độ.

Giới hạn SSC được định lượng ở 24 độ và 80 độ

Thử nghiệm SSC tải không đổi đối với thép không gỉ 316 đã ủ, có độ cứng < 200 HV, trong NACE TM0177 Solution A, đã thiết lập các ứng suất ngưỡng sau cho vết nứt trong khoảng thời gian thử nghiệm 720 giờ thông thường.

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, >350HV) 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% Trung bình
Tương tác quan trọng của độ cứng-Sức đề kháng SSC

Cho phép độ cứng tối đa 22 HRC (khoảng 250 HV) đối với thép không gỉ austenit trong môi trường chua theo NACE MR0175/ISO 15156 (thông số kỹ thuật dành cho vật liệu trong môi trường chứa H₂S{4}}). Giới hạn độ cứng này tương ứng với mức gia công nguội tối đa khoảng 15-20%. Bảng dưới đây cung cấp các giới hạn về độ cứng và ý nghĩa của chúng đối với SSC ở nhiệt độ phòng.

Độ cứng tối đa (HRC) Độ cứng tối đa (HV) Ứng suất ngưỡng SSC tương đương gia công nguội (MPa, 24 độ, đế ủ)316 Có thể chấp nhận được trên mỗi NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Có (có giới hạn)
20-22 230-250 12-18% 100 Biên
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Khuyến nghị thực tế cho các ứng dụng máy sưởi dịch vụ chua

Các khuyến nghị sau đây dựa trên nhiệt độ vận hành của 316 bộ gia nhiệt có vỏ bọc để sử dụng trong dịch vụ H2S (áp suất riêng phần của H2S trên 0,05 psia hoặc nồng độ trên 10 ppm trong nước lỏng).

Nhiệt độ vận hành ( độ ) Áp suất riêng phần H2S (psia) Độ cứng tối đa (HRC/HV) Đề xuất xử lý nhiệt tạo hình-Hợp kim thay thế<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 Bất kỳ Bất kỳ (không có rủi ro SSC)316 hoàn toàn chấp nhận được Không yêu cầu
Chẩn đoán hiện trường về sự cố SSC

Vết nứt từ SSC trong vỏ bọc gia nhiệt 316 thường xuyên hạt (xuyên qua các hạt) chứ không phải giữa các hạt, thường có phân nhánh như clorua SCC nhưng thiếu clorua đáng kể. Có rất ít biến dạng dẻo của bề mặt vết nứt có thể phẳng và mài giác. Những nơi có nhiều khả năng bị nứt nhất là các khu vực được gia công nguội-(ví dụ: bán kính bên ngoài của các khúc cua) và nhiệt độ dưới 60 độ . Nếu bộ gia nhiệt bị hỏng từ hệ thống nước chua bao gồm H 2 S và sự cố xảy ra ở khu vực làm việc uốn cong hoặc nguội-và nhiệt độ sử dụng ở mức xung quanh là 50 độ, thì nên nghi ngờ SSC nếu độ cứng vượt quá khoảng 250 HV, bất kể độ cứng.

Kết luận: Kiểm soát rủi ro SSC thông qua kiểm soát nhiệt độ và độ cứng

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 độ) do đó 316 có thể được sử dụng an toàn ngay cả ở mức độ gia công nguội cao hơn. Khung này được mô tả ở đây cho phép người mua lựa chọn 316 vỏ bọc có khả năng chống nứt ăn mòn do ứng suất sunfua trong điều kiện chua bằng nhiệt độ, độ cứng và ứng suất ngưỡng SSC liên quan.