Quin llindar d'esquerdes per corrosió d'estrès de sulfur màxim permès presenta la beina de l'escalfador d'acer inoxidable 316 a la solució A NACE TM0177 a 24 graus i 80 graus

Dependència de la temperatura de la susceptibilitat SSC de l'acer inoxidable austenític

El control de la temperatura-del risc de fissuració per corrosió per tensió de sulfur (SSC) dels tubs elèctrics de calefacció en entorns de servei àcid (escalfadors d'aigua de jaciments de petroli, sistemes geotèrmics o escalfadors de procés de refineria) no és-monòton, és a dir, el risc no és només una funció de la temperatura. A diferència de l'SCC induït per clorur que és més greu amb l'augment de la temperatura, l'SSC d'acers inoxidables austenítics com el 316 té la màxima susceptibilitat a temperatura ambient (20-30 graus) i es redueix molt a temperatures elevades (més de 80 graus) . 316 a la solució NACE TM0177 A (5% wt{1% d'àcid saturat a NaCl}} amb H2S a 1 atm, pH ~ 2,7-3,0) té una tensió llindar per a SSC d'uns 60-70% del seu límit elàstic a 24 graus. Això significa que tensions superiors a 120-140 MPa (per a 316 recuits amb un límit de fluència ~ 205 MPa) provocaran esquerdes en 720 hores. A 80 graus, el llindar es desplaça cap amunt per assolir la força de fluència (prop de 200 MPa) mostrant substancialment menys susceptibilitat a SSC. En aquest article, els llindars SSC per a 316 beines es quantifiquen en funció de la temperatura.

Origen de la temperatura-Susceptibilitat SSC depenent

El crac per corrosió per tensió de sulfur es produeix quan l'hidrogen atòmic que es forma a partir de la reacció de corrosió (Fe + H2S → FeS + 2H) es difon a l'acer i fragilitza la microestructura. Per als acers inoxidables austenítics, com el 316, la difusió de l'hidrogen és lenta a temperatura ambient, ja que l'estructura cúbica centrada en la cara (FCC) dóna lloc a una baixa difusivitat de l'hidrogen (al voltant de 10-12 a 10-11 cm2/s a 25 graus contra 10-6 cm2/s per als acers ferrítics). Tanmateix, el treball en fred, combinat amb una gran duresa i una alta densitat de dislocació, pot fer que el 316 sigui susceptible. A temperatures més altes (> 60-80 graus) la difusivitat de l'hidrogen augmenta, però la tolerància a l'hidrogen també augmenta perquè les dislocacions poden canviar per alleujar les tensions locals. També la velocitat de corrosió augmenta amb la temperatura, la qual cosa condueix a més producció d'hidrogen, però la reacció de recombinació d'hidrogen és menys enverinada per H 2 S a temperatures més altes. Per tant, la conseqüència neta és una susceptibilitat màxima per a SSC entre 20 i 40 graus i una disminució ràpida per sobre dels 60 graus.

Límits SSC quantificats a 24 graus i 80 graus

Les proves SSC de càrrega constant d'acer inoxidable 316 recuit, amb una duresa < 200 HV, a la solució A NACE TM0177, han establert les tensions llindars següents per a la fissuració durant el període de prova normal de 720 hores.

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% Moderat
La interacció crítica de la duresa-resistència SSC

Es permet una duresa màxima de 22 HRC (uns 250 HV) per als acers inoxidables austenítics en servei àcid segons NACE MR0175/ISO 15156 (l'especificació per a materials en ambients que contenen H₂S-). Aquest límit de duresa correspon a un màxim de treball en fred d'un 15-20%. La taula següent proporciona les limitacions de duresa i les seves implicacions en SSC a temperatura ambient.

Duresa màxima (HRC) Duresa màxima (HV) Treball en fred equivalent SSC Tensió llindar (MPa, 24 graus, base recuita) 316 Acceptable segons NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Sí (limitat)
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
Recomanacions pràctiques per a aplicacions d'escalfadors de servei àcid

Les recomanacions següents es basen en la temperatura de funcionament dels escalfadors de 316 cobertes per utilitzar-los en servei H2S (pressió parcial de H2S per sobre de 0,05 psia o concentració per sobre de 10 ppm en aigua líquida).

Temperatura de funcionament ( grau ) H2S pressió parcial (psia) Duresa màxima (HRC/HV) Tractament tèrmic post-conformat recomanat Aliatge alternatiu<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 Qualsevol Qualsevol (sense risc de SSC)316 totalment acceptable No es requereix cap
Diagnòstic de camp del mal funcionament del SSC

El trencament de SSC a les beines de l'escalfador de 316 sol ser transgranular (a través dels grans) en lloc d'intergranular, sovint amb ramificacions com el clorur SCC, però amb la manca de clorurs substancials. Hi ha poca deformació plàstica de la superfície de fractura que pot ser plana i facetada. Els llocs més probables d'esquerdes són les zones fredes-(per exemple, el radi exterior dels revolts) i les temperatures inferiors als 60 graus . Si un escalfador falla d'un sistema d'aigua àcida inclòs H 2 S, i l'avaria es produeix en un corb o en una àrea de treball freda-i la temperatura de servei és ambient de 50 graus , s'ha de sospitar que SSC supera els 250 HV, independentment de la duresa.

Conclusió: Control de Risc SSC mitjançant Control de Temperatura i Duresa

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 graus), per tant, 316 es pot utilitzar amb seguretat fins i tot a nivells més alts de treball en fred. Aquest marc descrit aquí permet als compradors seleccionar 316 beines resistents a l'esquerda per corrosió per tensió de sulfur en condicions àcides relacionant la temperatura, la duresa i l'estrès llindar SSC.