تحت أي مجموعة من إجهاد الشد المتبقي من السحب وإدراج الكبريتيد، طول سترينجر الذي يتسبب في فشل أنابيب السخان 316 بواسطة الهيدروجين-التشقق المستحث في خدمة المياه الحامضة

تقصف الهيدروجين: التأثيرات التآزرية للإجهاد ومورفولوجيا الشمول

يعتبر التكسير الناجم عن الهيدروجين (HIC) أحد أوضاع الفشل المحتملة لـ 316 من أنابيب التسخين الكهربائية المغلفة بالفولاذ المقاوم للصدأ في خدمة المياه الحامضة-البيئات المائية التي تزيد تركيزات كبريتيد الهيدروجين (H2S) فيها عن 10 جزء في المليون، وهو ما يعتبر نموذجيًا لمعالجة مياه حقول النفط والتدفئة الحرارية الأرضية وعمليات التكرير. لا يتطلب HIC في 316 استقطابًا أنوديًا مطبقًا، على عكس تكسير التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد. يحدث HIC عندما ينتشر الهيدروجين الذري الناتج عن تفاعل التآكل ( Fe + H₂S → FeS + 2H ) في الفولاذ ويعاد تجميعه في واجهات التضمين غير المعدنية، مما يؤدي إلى خلق ضغط داخلي يؤدي إلى انتشار الشقوق . يتم التحكم في القابلية للإصابة بـ HIC من خلال معلمتين، حجم إجهاد الشد المتبقي الناتج عن سحب الأنبوب أو ثنيه وطول واتجاه شوائب سترينجر كبريتيد المنغنيز (MnS). يبدأ HIC في الماء الحامض عند درجة حرارة 80-100 بين أسابيع إلى أشهر إذا تجاوز إجهاد الشد المتبقي حوالي 150 ميجا باسكال وتجاوز طول سترينجر المتضمن 50 ميكرومتر في اتجاه عمودي على اتجاه الإجهاد. تقوم هذه المقالة بتقدير مجموعات المفاتيح لفشل HIC وتقدم اقتراحات لمواصفات المواد للخدمة الحامضة.

الهيدروجين-آلية التكسير المستحث للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 316

316 يتآكل إلى كبريتيد الحديدوز (FeS) والهيدروجين الذري في المياه الحامضة. يسمم H2S تفاعل إعادة تركيب الهيدروجين (2H → H2) وبالتالي يبقى الهيدروجين الذري على سطح المعدن وينتشر في الشبكة الأوستنيتية. ينتشر الهيدروجين بسرعة على طول حدود الحبوب ويتم احتجازه في الشوائب غير المعدنية، وخاصة المراسلات الطويلة من MnS، حيث يتم إعادة اتحاده مع الهيدروجين الجزيئي. يمكن أن يصل الضغط الداخلي إلى 1000 ميجا باسكال أو أكثر، وهو ما يكفي لإحداث تشقق في المصفوفة المحيطة حتى في حالة عدم وجود أي ضغط خارجي. في ظل وجود إجهاد الشد المتبقي، ينتشر الكسر على طول الواجهة بين التضمين والمصفوفة، مما يربط الادراج المجاورة بقناة صدع مستمرة. يتطلب حدوث الانثقاب الناتج عن HIC مصادفة ثلاثة شروط: (1) مصدر للهيدروجين (تركيز H2S أعلى من 10 جزء في المليون، ودرجة الحموضة أقل من 6، أو كليهما)، (2) شوائب MnS ممدودة موجهة بشكل عمودي على أقصى اتجاه إجهاد الشد، و (3) إجهاد الشد المتبقي فوق عتبة انتشار الشقوق (حوالي 100-150 ميجا باسكال لـ 316).

80 درجة في المياه الحامضة عتبات بدء HIC الكمية

أدى الاختبار المنهجي لـ 316 أنبوبًا مع مستويات الإجهاد المتبقية الخاضعة للرقابة وأطوال سترينجر التضمين الكمية في NACE TM0177 Solution A (5% NaCl + 0.5% حمض الأسيتيك، sat'd مع H2S، pH~3.5) إلى إنشاء مجموعات المفاتيح لبدء HIC في 720 ساعة (30 يومًا) (عند 80 درجة).

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 جزء في المليون)<50 Any Any No HIC 0 >10 سنوات نعم 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 سنوات مقبولة
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 سنوات مقبول 100-150 50-100 عمودي 500-1،000 50-150 5-10 سنة هامشي 100-150 100-200 عمودي 200-500 150-300 2-5 سنة غير مستحسن
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 عمودي 100-200 200-400 1-3 سنةلا ينصح به
150-200 100-200 عمودي 50-100 400-800 6-18 شهر غير مناسب200 50-100 عمودي<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 عمودي<50 >800 <3 months Not acceptable
تأثير العمل البارد واتجاه الرسم على حساسية HIC

أثناء عملية رسم الأنابيب 316، تتم محاذاة شوائب MnS بالتوازي مع محور الأنبوب. الحد الأقصى لإجهاد الشد المتبقي أثناء السحب لغلاف السخان يكون أيضًا محوريًا (على طول طول الأنبوب). إذا كانت التضمينات ممدودة بالتوازي مع اتجاه الإجهاد، فيجب أن ينتشر الشق على طول واجهة مصفوفة التضمين - التي لا تكون متعامدة مع الإجهاد - مما يؤدي إلى حساسية أقل لـ HIC. ومع ذلك، فإن عمليات الثني (إنشاء أنبوب U-) تولد ضغوط شد متبقية في اتجاه الطوق عند نصف قطر الانحناء الخارجي. الآن، إذا تم توجيه التضمينات المحاذية للرسم - بشكل طبيعي إلى شد الطوق هذا، فسيتم تعزيز حساسية HIC كثيرًا. يجب أن تكون السخانات مخصصة بأنابيب مستقيمة حصراً (بدون انحناءات)، أو مع تخفيف إجهاد الانحناءات بعد التشكيل، من أجل الخدمة الحمضية. بالإضافة إلى ذلك، فإن عمليات صناعة الصلب التي تؤدي إلى شوائب كروية بدلاً من شوائب سترينجر (تكرير AOD أو VAR كما هو موضح في المادة 24) تحد أيضًا من الحد الأقصى لطول سترينجر أقل من 50 ميكرومتر، حتى عند نفس مستوى الكبريت.

المواصفات العملية لسخانات خدمة المياه الحامضة 316

للخدمة في الماء الذي يحتوي على H2S بما يزيد عن 10 جزء في المليون أو مع درجة حموضة أقل من 6.0 عند درجات حرارة تزيد عن 60 درجة، يتم اقتراح المعلمات التالية لـ 316 سخانًا مغلفًا:

الحد الأقصى لإجهاد الشد المتبقي بعد جميع عمليات التشكيل: 100 ميجا باسكال (تم التحقق منه بواسطة حيود الأشعة السينية أو بواسطة اختبار الانحناء ASTM G38 U- مع عدم وجود تشقق بعد 100 ساعة في محلول NACE TM0177)

الحد الأقصى لطول سترينجر MnS: 50 ميكرومتر (وفقًا لمعيار ASTM E45، الطريقة A، مستوى الخطورة أقل من أو يساوي 1.0 للكبريتيدات من النوع A)

الحد الأقصى لتركيز الكبريت في الفولاذ: 0.005% (50 جزء في المليون)

ممارسة صناعة الصلب: AOD مكرر أو متفوق (يفضل VAR/ESR للخدمة المهمة)

تخفيف إجهاد ما بعد-الانحناء: 400-450 درجة لمدة ساعة واحدة لأي نصف قطر انحناء R/D < 5.0

الصلابة: الحد الأقصى 22 HRC (220 HV) لتقليل امتصاص الهيدروجين

إذا تعذر الوصول إلى أي من هذه المعايير، فمن المستحسن استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ 2205 المزدوج (الذي يتمتع بمقاومة أعلى بكثير لـ HIC) أو السبائك 825.

تحديد حقل -حالات الفشل الناجمة عن HIC

في HIC في أغلفة السخان 316، تتطور الشقوق المسطحة النموذجية-المنتشرة بالتوازي مع محور الأنبوب (إذا كانت الشوائب محورية) أو محيطية (إذا كان إجهاد الطوق سائدًا). تعد الشقوق المتوازية المتعددة نموذجية وغالبًا ما تكون مصحوبة ببثور على سطح الغمد، وتورم موضعي حيث تم تشويه المعدن بسبب ضغط الهيدروجين الداخلي. يُظهر سطح الكسر ليونة منخفضة ويمكن أن يظهر شكل "مقياس السمكة" أو "السلم" عندما تنضم الشقوق إلى المراسلين المتضمنين المجاورين. تُظهر دراسة EDS لسطح الكسر وجود الكبريت من شوائب MnS الأصلية والمزيد من الكبريت من عملية التآكل. إذا كانت هذه السمات غائبة في السخانات الفاشلة في المياه الحامضة، فيجب فحص الكلوريد SCC أو الحفر كأنماط فشل محتملة.

الخلاصة: إدارة الإجهاد ومورفولوجيا الشمول للخدمة الحامضة

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 جزء في المليون، الرقم الهيدروجيني<6, temperature >60 درجة)، يتطور التشقق الناجم عن الهيدروجين - عندما يتجاوز إجهاد الشد المتبقي 100-150 ميجا باسكال وتتجاوز المراسلات المتضمنة MnS المطولة 50-100 ميكرومتر في الطول موجهة بشكل عمودي على اتجاه الإجهاد. يعد الإجهاد المحوري المتبقي بسبب السحب المقترن مع شوائب سترينجر الموازية للمحور أقل ضررًا من إجهاد الطوق المتبقي بسبب الانحناء الذي يعمل على شوائب محاذاة محوريًا . 316 يجب على الأغلفة المحددة للخدمة الحامضة من قبل المهندسين إدارة الإجهاد المتبقي (بعد تخفيف إجهاد الانحناء) وتشكل التضمين (الكبريت المنخفض، تكرير AOD، الحد الأقصى لطول سترينجر 50 ميكرومتر). ويرتبط الإطار الموصوف هنا بالإجهاد المتبقي وطول التضمين بفترات بدء HIC القابلة للقياس. مع هذا الإطار، يمكن للمشتري اختيار 316 أنبوبًا لمقاومة التقصف الهيدروجيني في المياه الحامضة الأكثر عدوانية.