Quale soglia massima consentita di fessurazione da corrosione da stress da solfuro mostra la guaina del riscaldatore in acciaio inossidabile 316 nella soluzione A NACE TM0177 a 24 gradi e 80 gradi

Dipendenza dalla temperatura della suscettibilità SSC dell'acciaio inossidabile austenitico

Il controllo della temperatura-del rischio di cracking da tensocorrosione da solfuro (SSC) dei tubi di riscaldamento elettrico in ambienti di servizio acidi (scaldabagni di giacimenti petroliferi, sistemi geotermici o riscaldatori di processi di raffineria) non è-monotono, ovvero il rischio non è semplicemente una funzione della temperatura. Diversamente dall'SCC indotto dal cloruro che è più grave con l'aumento della temperatura, l'SSC degli acciai inossidabili austenitici come il 316 ha la massima suscettibilità a temperatura ambiente (20-30 gradi) ed è notevolmente ridotto a temperature elevate (oltre 80 gradi). 316 nella soluzione A NACE TM0177 (5% in peso di NaCl + 0.5% in peso di acido acetico, saturo di H2S a 1 atm, pH ~ 2,7-3,0) ha uno stress soglia per SSC pari a circa il 60-70% del suo limite di snervamento a 24 gradi. Ciò significa che sollecitazioni superiori a 120-140 MPa (per 316 ricotto con carico di snervamento ~ 205 MPa) porteranno alla fessurazione in 720 ore. A 80 gradi la soglia si sposta verso l'alto per raggiungere il limite di snervamento (vicino a 200 MPa) mostrando una suscettibilità sostanzialmente inferiore alla SSC. In questo documento, le soglie SSC per 316 guaine vengono quantificate in funzione della temperatura.

Origine della sensibilità alle SSC-dipendente dalla temperatura

La tensocorrosione da solfuro si verifica quando l'idrogeno atomico che si forma dalla reazione di corrosione (Fe + H2S → FeS + 2H) si diffonde nell'acciaio e infragilisce la microstruttura. Per gli acciai inossidabili austenitici, come il 316, la diffusione dell'idrogeno è lenta a temperatura ambiente poiché la struttura cubica a facce centrate (FCC) determina una bassa diffusività dell'idrogeno (da circa 10-12 a 10-11 cm2/s a 25 gradi contro 10-6 cm2/s per gli acciai ferritici). Tuttavia, la lavorazione a freddo, combinata con un'elevata durezza e un'elevata densità di dislocazioni, può rendere il 316 suscettibile. A temperature più elevate (> 60-80 gradi) aumenta la diffusività dell'idrogeno, ma aumenta anche la tolleranza all'idrogeno perché le dislocazioni possono spostarsi per alleviare gli stress locali. Anche la velocità di corrosione aumenta con la temperatura, il che porta ad una maggiore produzione di idrogeno, ma la reazione di ricombinazione dell'idrogeno è meno avvelenata dall'H 2 S a temperature più elevate. Quindi la conseguenza netta è una suscettibilità massima per SSC tra 20 e 40 gradi e una rapida diminuzione sopra i 60 gradi.

Limiti SSC quantificati a 24 gradi e 80 gradi

La prova SSC a carico costante dell'acciaio inossidabile 316 ricotto, con una durezza < 200 HV, nella soluzione NACE TM0177 A, ha stabilito le seguenti sollecitazioni soglia per la fessurazione durante il normale periodo di prova di 720 ore.

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% moderato
L'interazione critica della durezza-Resistenza SSC

Una durezza massima di 22 HRC (circa 250 HV) è consentita per gli acciai inossidabili austenitici in servizio acido secondo NACE MR0175/ISO 15156 (la specifica per i materiali in ambienti contenenti H₂S-). Questo limite di durezza corrisponde ad un massimo di lavorazione a freddo di circa il 15-20%. La tabella seguente fornisce i limiti di durezza e le loro implicazioni sull'SSC a temperatura ambiente.

Durezza massima (HRC) Durezza massima (HV) Sollecitazione di soglia SSC equivalente per lavorazione a freddo (MPa, 24 gradi, base ricotta)316 Accettabile secondo NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Sì (limitato)
20-22 230-250 12-18% 100 marginale
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Raccomandazioni pratiche per applicazioni di riscaldamento di servizi acidi

Le seguenti raccomandazioni si basano sulla temperatura operativa per i riscaldatori con guaina 316 da utilizzare in servizio H2S (pressione parziale di H2S superiore a 0,05 psia o concentrazione superiore a 10 ppm in acqua liquida).

Temperatura di esercizio (gradi) Pressione parziale di H2S (psia) Durezza massima (HRC/HV) Trattamento termico post-formatura consigliato Lega alternativa<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 Qualunque Qualunque (nessun rischio SSC)316 totalmente accettabile Nessuna richiesta
Diagnosi sul campo del malfunzionamento dell'SSC

La fessurazione causata dall'SSC nelle guaine del riscaldatore 316 è solitamente transgranulare (attraverso i grani) piuttosto che intergranulare, spesso con ramificazione come l'SCC del cloruro ma in assenza di cloruri sostanziali. C'è poca deformazione plastica della superficie di frattura che può essere piatta e sfaccettata. I luoghi più probabili per la fessurazione sono le aree-lavorate a freddo (ad esempio il raggio esterno delle curve) e le temperature inferiori a 60 gradi. Se un riscaldatore si guasta a causa di un sistema di acqua acida che include H 2 S e il guasto si verifica in una curva o in un'area lavorata a freddo- e la temperatura di servizio è ambiente fino a 50 gradi, si dovrebbe sospettare la SSC se la durezza supera circa 250 HV, indipendentemente dalla durezza.

Conclusione: controllo del rischio SSC tramite il controllo della temperatura e della durezza

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 gradi) pertanto il 316 può essere utilizzato in sicurezza anche a livelli più elevati di lavoro a freddo. Il quadro qui descritto consente agli acquirenti di selezionare 316 guaine resistenti alla fessurazione da tensocorrosione da solfuro in condizioni acide mettendo in relazione temperatura, durezza e sollecitazione di soglia SSC.