In base a quale combinazione di tensione residua di trazione da trafilatura e lunghezza della traversa con inclusione di solfuro, i tubi del riscaldatore 316 si guastano a causa dell'idrogeno-Crepe indotte nel servizio di acqua acida

Infragilimento da idrogeno: effetti sinergici dello stress e della morfologia dell'inclusione

Il cracking indotto dall'idrogeno (HIC) è una potenziale modalità di guasto per i tubi riscaldanti elettrici rivestiti in acciaio inossidabile 316 in ambienti acquosi di servizi con acqua acida-con concentrazioni di idrogeno solforato (H2S) superiori a 10 ppm, tipici del trattamento delle acque dei giacimenti petroliferi, del riscaldamento geotermico e dei processi di raffineria. L'HIC nel 316 non richiede la polarizzazione anodica applicata, a differenza della tensocorrosione da cloruro. L'HIC si verifica quando l'idrogeno atomico, generato dalla reazione di corrosione ( Fe + H₂S → FeS + 2H ) si diffonde nell'acciaio e si ricombina nelle interfacce di inclusione non-metalliche, creando una pressione interna che guida la propagazione delle cricche . La suscettibilità all'HIC è controllata da due parametri, l'entità dello stress residuo a trazione risultante dalla trafilatura o dalla piegatura del tubo e la lunghezza e l'orientamento delle inclusioni di solfuro di manganese (MnS). L'HIC inizia in acqua acida a 80-100 gradi tra settimane e mesi se la sollecitazione di trazione residua supera circa 150 MPa e la lunghezza della traversa di inclusione supera 50 µm in una direzione perpendicolare alla direzione della sollecitazione. Questo articolo stima le combinazioni chiave per il fallimento dell'HIC e fornisce suggerimenti per le specifiche dei materiali per il servizio sour.

Meccanismo di fessurazione indotto dall'idrogeno-dell'acciaio inossidabile austenitico 316

316 si corrode producendo solfuro ferroso (FeS) e idrogeno atomico in acqua acida. H2S avvelena la reazione di ricombinazione dell'idrogeno (2H → H2) e quindi l'idrogeno atomico rimane sulla superficie del metallo e si diffonde nel reticolo austenitico. L'idrogeno si diffonde velocemente lungo i bordi dei grani e viene intrappolato nelle inclusioni non-metalliche, in particolare nelle stringhe MnS allungate, dove viene ricombinato con l'idrogeno molecolare. La pressione interna può arrivare a 1.000 MPa o più, sufficiente a indurre fessurazioni nella matrice circostante anche in assenza di stress esterno. In presenza di una tensione residua di trazione, la frattura si propaga lungo l'interfaccia tra l'inclusione e la matrice, collegando le inclusioni vicine in un canale di fessura continuo. Il verificarsi di perforazione dovuta a HIC richiede la coincidenza di tre condizioni: (1) una fonte di idrogeno (concentrazione di H 2 S superiore a 10 ppm, pH inferiore a 6, o entrambi), (2) inclusioni di MnS allungate orientate perpendicolarmente alla direzione massima della sollecitazione a trazione e (3) sollecitazione a trazione residua superiore alla soglia per la propagazione della cricca (circa 100-150 MPa per 316).

80 gradi in soglie di inizio HIC quantificate in acqua acida

Test sistematici di 316 tubi con livelli di stress residuo controllati e lunghezze di stringhe di inclusione quantificate nella soluzione A NACE TM0177 (5% NaCl + 0.5% acido acetico, sat'd con H2S, pH~3,5) hanno stabilito le combinazioni chiave per l'inizio dell'HIC in 720 ore (30 giorni) (a 80 gradi).

Residual Tensile Stress (MPa) Maximum MnS Stringer Length (µm) Stringer Orientation Relative to Stress HIC Initiation Time (hours) Crack Depth after 1,000 hours (µm) Time to Perforation (1.5 mm wall) Recommended for Sour Service (H₂S >10 ppm)<50 Any Any No HIC 0 >10 anni sì 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 anni Accettabile
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 anni Accettabile 100-150 50-100 Perpendicolare 500-1,000 50-150 5-10 anni Marginale 100-150 100-200 Perpendicolare 200-500 150-300 2-5 anniNon consigliabile
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Perpendicolare 100-200 200-400 1-3 anniNon consigliato
150-200 100-200 Perpendicolare 50-100 400-800 6-18 mesi Non adatto200 50-100 Perpendicolare<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 Perpendicolare<50 >800 <3 months Not acceptable
Effetto della lavorazione a freddo e della direzione di trafilatura sulla suscettibilità all'HIC

Durante il processo di trafilatura del tubo 316, le inclusioni di MnS sono allineate parallelamente all'asse del tubo. Anche la massima sollecitazione residua a trazione durante la trafilatura di una guaina del riscaldatore è assiale (lungo la lunghezza del tubo). Se le inclusioni sono allungate parallelamente alla direzione dello stress, la fessura deve propagarsi lungo l'interfaccia della matrice di inclusioni- che non è perpendicolare allo stress- con conseguente minore sensibilità all'HIC. Tuttavia, le operazioni di piegatura (creazione di tubi a U-) generano tensioni residue di trazione nella direzione del cerchio in corrispondenza del raggio di piegatura esterno. Ora, se le inclusioni allineate al disegno- sono orientate normalmente a questa tensione del cerchio, la suscettibilità all'HIC è molto aumentata. I riscaldatori devono essere specificati esclusivamente con tubi diritti (senza curve) o con sollecitazioni sulle curve alleviate dopo la formatura, per servizio acido. Inoltre, anche i processi di produzione dell'acciaio che danno luogo a inclusioni globulari invece che a stringer (raffinazione AOD o VAR come indicato nell'articolo 24) limitano la lunghezza massima dei stringer al di sotto di 50 µm, anche allo stesso livello di zolfo.

Specifiche pratiche per riscaldatori per acqua acida 316

Per il servizio in acqua contenente H2S superiore a 10 ppm o con pH inferiore a 6,0 a temperature superiori a 60 gradi, si suggeriscono i seguenti parametri per i riscaldatori incassati 316:

Sollecitazione di trazione residua massima dopo tutte le operazioni di formatura: 100 MPa (verificato mediante diffrazione di raggi X-o mediante test di piegatura a U- ASTM G38 senza fessurazioni dopo 100 ore in soluzione NACE TM0177)

Lunghezza massima della stringa MnS: 50 µm (secondo ASTM E45, metodo A, livello di severità inferiore o uguale a 1,0 per solfuri di tipo A)

Concentrazione massima di zolfo nell'acciaio: 0,005% (50 ppm)

Pratica di produzione dell'acciaio: AOD raffinato o superiore (VAR/ESR preferibile per servizi importanti)

Riduzione dello stress post-piegatura: 400-450 gradi per 1 ora per qualsiasi raggio di piegatura R/D < 5,0

Durezza: Max 22 HRC (220 HV) per un ridotto assorbimento di idrogeno

Se non è possibile raggiungere uno qualsiasi di questi standard, si consiglia l'acciaio inossidabile duplex 2205 (che ha una resistenza HIC sostanzialmente più elevata) o la lega 825.

Identificazione del campo dei guasti indotti dall'HIC-

Nell'HIC nelle guaine del riscaldatore 316 si sviluppano tipiche crepe piatte, a gradini, che si propagano parallelamente all'asse del tubo (se le inclusioni sono assiali) o circonferenziali (se la tensione circolare è prevalente). Sono tipiche cricche multiple parallele, spesso accompagnate da bolle sulla superficie della guaina, rigonfiamenti localizzati dove il metallo è stato deformato dalla pressione interna dell'idrogeno. La superficie della frattura mostra una bassa duttilità e può presentare un aspetto a "scala di pesce-" o "a scala" quando le crepe si uniscono a traverse di inclusione adiacenti. Lo studio EDS della superficie di frattura mostra zolfo proveniente dalle inclusioni originali di MnS e ulteriore zolfo proveniente dal processo di corrosione. Se queste caratteristiche sono assenti nei riscaldatori guasti in acqua acida, allora l'SCC da cloruro o la vaiolatura dovrebbero essere esaminati come possibili modalità di guasto.

Conclusione: gestione dello stress e morfologia dell'inclusione per il servizio acido

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 gradi), la fessurazione indotta dall'idrogeno-si sviluppa quando lo stress residuo di trazione supera 100-150 MPa e le traverse allungate di inclusione di MnS superano 50-100 µm di lunghezza orientate perpendicolarmente alla direzione dello stress. Lo stress residuo assiale dovuto all'imbutitura combinato con inclusioni di traverse parallele all'asse è meno dannoso dello stress residuo del telaio dovuto alla flessione che agisce sulle inclusioni allineate assialmente. 316 le guaine specificate per il servizio acido dagli ingegneri devono gestire lo stress residuo (dopo il rilascio dello stress da piegatura) e la morfologia delle inclusioni (basso contenuto di zolfo, raffinazione AOD, lunghezza massima della traversa 50 um). Il quadro qui descritto mette in relazione lo stress residuo e la lunghezza dell'inclusione con periodi di inizio HIC misurabili. Con questo sistema, l'acquirente può scegliere i tubi 316 per resistere all'infragilimento da idrogeno nell'acqua acida più ostile.