Incoloy 825 Korozija kiselog plina: Otpornost na pucanje od kloridne korozije u H2S servisu

Inkoloj 825(UNS N08825, W.Nr. 2.4858) je titanom-stabilizirana legura nikla-željeza-kroma s molibdenom i bakrom i jedna je od najčešće specificiranih legura -otpornih na koroziju (CRA) za proizvodnju kiselog plina (H₂S). Njegov sadržaj nikla od 38–46% smješta ga daleko iznad raspona osjetljivosti na pucanje od kloridne korozije (CSCC), a kvalificiran je prema NACE MR0175/ISO 15156-3 za kiselu upotrebu otpornu na pucanje pri maksimalnoj tvrdoći od 35 HRC.

Ovaj članak odgovara na pitanja koja inženjeri i timovi za nabavu najviše postavljaju: što pokreće kloridni SCC u kiselim bušotinama, zašto je Incoloy 825 otporan na njega, kako se uspoređuje s 316L, 904L, Alloy 625 i C-276, gdje su njegova praktična ograničenja i kako ga odabrati, zavariti i provjeriti za H₂S uslugu. Svaka kvantitativna izjava može se pratiti do standarda i izvora proizvođača navedenih u odjeljku Reference.

Incoloy 825 na prvi pogled

Tablica u nastavku sažima odgovore koje ovaj članak detaljno razvija. Formatiran je tako da se svaki redak može zasebno izdvojiti i citirati.

Što je Incoloy 825 i zašto je specificiran za uslugu kiselog plina?

Incoloy 825 (UNS N08825) je titan-stabilizirana legura nikla-željeza-kroma koja sadrži molibden i bakar, projektirana da se odupre kombiniranom napadu redukcijskih kiselina, oksidirajućih medija, vrućih klorida i H₂S. To je radni konj CRA u proizvodnji kiselog plina jer jedan stupanj pruža otpornost na klorid SCC, otpornost na sulfidne pukotine (SSC), otpornost na rupičastu pojavu i zavarljivost po cijeni daleko nižoj od vrhunskih legura nikla kao što su legura 625 ili C-276.

Incoloy 825 pripada obitelji Ni-Fe-Cr, a ne obitelji Ni-Cr{-Mo, što je upravo razlog zašto je ekonomičan: željezo čini najmanje 22% matrice. Svaki namjerni dodatak ima specifičan učinak korozije, kao što je sažeto prikazano u tablici 2.

Tablica 2. Nazivni sastav i korozijska funkcija Incoloya 825 (UNS N08825).

Legura se isporučuje u -žarenom stanju kao cijev (ASTM B423), ploča/lim/traka (B424), šipka (B425), cijev kondenzatora (B163) i otkivci (B564). Budući da je mikrostruktura potpuno austenitna i stabilna, Incoloy 825 zadržava dobru žilavost i ostaje lak za zavarivanje, zbog čega se pojavljuje u gotovo svakoj usporedbi otpornosti-na koroziju za naftu i plin, kemijsku obradu i kontrolu zagađenja.

Što je kloridno naponsko korozijsko pucanje i zašto uništava nehrđajući čelik u kiselim bunarima?

Kloridno naponsko korozijsko pucanje (CSCC) iznenadan je, lomljiv, -način otkazivanja austenitnog nehrđajućeg čelika sličan pukotini koji zahtijeva tri istodobna stanja - vlačno naprezanje, kloridne ione i temperaturu iznad otprilike 60 stupnjeva (140 stupnjeva F) - i može slomiti komponentu pri naprezanjima daleko ispod granice razvlačenja, često gotovo bez ikakvih vidljiva opća korozija.

CSCC treba sva tri uvjeta odjednom. (1) Vlačno naprezanje - primijenjeno pritiskom ili vlastitom težinom, ili zaostalo naprezanje koje nastaje zavarivanjem, oblikovanjem ili hladnim radom. (2) Kloridni ioni - prisutni u proizvedenoj slanoj vodi, tekućinama za završetak i većini procesnih tokova. (3) Temperaturno - pucanje ubrzava se iznad približno 60 stupnjeva. Uklonite bilo koji od tri i mehanizam se zaustavlja.

Slijed se dobro razumije. Pasivni film se lokalno razgrađuje na mjestu povećanja naprezanja kao što je zavareni vrh, ogrebotina ili već -postojeća jama. Ioni klorida migriraju u pukotinu, a hidroliza metalnih kationa zakiseljuje začepljenu stanicu, snižavajući lokalni pH. Anodno otapanje se odvija na vrhu pukotine dok okolni metal djeluje kao katoda, a vlačni napon se koncentrira na vrhu i pokreće transgranularnu pukotinu kroz austenitnu rešetku. Budući da pukotina raste bez značajnog stanjivanja stijenke, kvar može biti iznenadan i katastrofalan.

Bušotine kiselog plina savršena su oluja za CSCC: proizvedena voda je vruća slana otopina klorida; H₂S i CO₂ zakiseljuju tu slanu vodu; a temperature u bušotini i bušotini rutinski se kreću između 60 i 150 stupnjeva. Kontrolna varijabla materijala je sadržaj nikla. Kao što pokazuje Copson-koncept krivulje na slici 1, osjetljivost na kloridni SCC doseže vrhunac u rasponu od 8-12% nikla - točno gdje se nalazi obitelj nehrđajućeg čelika 304/316 - i naglo pada kada nikal premaši otprilike 20-30%. Ovaj pojedinačni odnos objašnjava zašto 316L puca u radu s vrućim kloridom, dok legure s više-nikla ne.

Slika 1. Shema - osjetljivosti na SCC klorid u odnosu na sadržaj nikla (koncept Copsonove-krivulje). Nije u mjerilu; kvalitativni odnos. Incoloy 825 (38–46% Ni) nalazi se daleko izvan raspona pucanja.

Je li Incoloy 825 otporan na pucanje uslijed korozije uslijed naprezanja klorida?

Da. S 38–46% nikla, Incoloy 825 nalazi se daleko iznad raspona osjetljivosti na kloridni SCC i naširoko se smatra učinkovito otpornim na kloridni SCC u praktičnoj upotrebi H₂S; u testu kipućeg magnezijevog klorida (ASTM G36) ostaje bez pukotina gdje 316L otkaže unutar nekoliko sati.

Tri mehanizma rade zajedno. Prvo, učinak nikla: povećanje nikla podiže energiju-greške slaganja austenita, pa dislokacije lako-klize i plastična deformacija se ravnomjerno širi umjesto formiranja postojanih traka klizanja koje kidaju pasivni film i stvaraju pukotine. Industrijski i istraživački konsenzus stavlja široki prag otpornosti blizu 20-30% Ni; na 38–46% Ni, Incoloy 825 ima veliku sigurnosnu marginu iznad toga.

Drugo, učinak molibdena: s PREN ≈ 31, Incoloy 825 suzbija inicijaciju jamica daleko bolje od 316L (PREN ≈ 25). Jamice su koncentratori naprezanja koji pretvaraju kloridno okruženje u SCC događaj, tako da su otpornost na piting i otpornost na SCC u praksi neodvojive. Treće, stabilizacija titana sprječava taloženje krom-karbida na granicama zrna u zoni utjecaja-varne topline, tako da legura izbjegava osjetljivu mikrostrukturu koja stvara intergranularni SCC put u{-zavarenom stanju.

Jedno iskreno upozorenje: nijedna legura nije apsolutno otporna. U ekstremno jakom testu s magnezijevim kloridom kipućim - namjerno agresivnim laboratorijskim okruženjem daleko oštrijim od terenske službe - čak i Incoloy 825 može puknuti nakon duljeg izlaganja. Inženjeri se stoga kvalificiraju prema stvarnom servisnom okruženju umjesto da se oslanjaju na jedan laboratorijski test.

Kako se Incoloy 825 odupire sulfidnom pucanju i H₂S napadu?

Incoloy 825 kvalificiran je za kiselu upotrebu u NACE MR0175/ISO 15156-3 kao tip 4c CRA otporan na -pukotine, a pri tvrdoći manjoj od ili jednakoj 35 HRC otporan je na pucanje pod naponom sulfida (SSC) i pucanje izazvano -vodikom (HIC); Klasifikacija tipa 4c nema gornje ograničenje parcijalnog tlaka H₂S ispod oko 132 stupnja (270 stupnjeva F).

Sulfidno pucanje pod naponom je fenomen vodikove krtosti. U kiseloj službi, H₂S "truje" rekombinaciju atomskog vodika na površini čelika, tako da atomski vodik difundira u metal i čini krte mikrostrukture koje su tvrde ili sadrže faze osjetljive na vodik-kao što su martenzit i bainit. Incoloy 825 izbjegava problem dizajnom: potpuno austenitna FCC rešetka s visokim -niklom stabilna je, ne sadrži proizvode transformacije-osjetljive na vodik i podnosi apsorbirani vodik daleko bolje od feritnih ili martenzitnih struktura.

NACE MR0175/ISO 15156 (trenutno izdanje ISO 15156-3:2020) je vodeći standard za materijale u proizvodnji nafte i plina koji sadrže H₂S-. Incoloy 825 je klasificiran kao legura tipa 4c u odobrenim CRA tablicama Dijela 3 (npr. Tablica A.14 u trenutnim izdanjima). Kvalificirajući uvjeti su: oblici proizvoda proizvedeni u skladu s primjenjivom specifikacijom, stanje-žarenosti u otopini i maksimalna tvrdoća od 35 HRC (neki hladno{16}}obrađeni-oblici proizvoda visoke čvrstoće imaju niže granice, npr. 33 HRC). Za klasifikaciju tipa 4c ne postoji ograničenje parcijalnog tlaka H₂S ispod 270 stupnjeva F (≈132 stupnja), a legura ostaje kvalificirana do 200 psi H₂S na 350 stupnjeva F (≈177 stupnjeva).

Norma regulira pucanje, a ne svaki oblik korozije. Inženjeri i dalje moraju procijeniti kompletan okoliš - in-situ pH, koncentraciju klorida, temperaturu, elementarni sumpor i ulazak kisika - jer općom korozijom i rupičastom korozijom upravljaju kemija materijala i kontrola procesa, a ne samo SSC popis.

Kakav je Incoloy 825 u usporedbi s 316L, 904L, Alloy 625 i C-276?

Za umjereno kiseli plin s vrućim kloridima, Incoloy 825 je najbolja cijena-izvedba: daleko nadmašuje 316L i 904L u pogledu otpornosti na klorid SCC i kisele{4}}kvalifikacije za upotrebu po sličnoj cijeni, dok su legura 625 i C-276 opravdani samo kada temperatura, kloridi ili ozbiljnost H₂S prelaze 825 praktična omotnica.

Tablica 3 uspoređuje pet kandidata koje inženjeri najčešće vagaju za kiselinu i klorid.

Tablica 3. Usporedba kisele-uslužne legure (nominalne vrijednosti; razine troškova su indikativne i-ovisne o tržištu).

Čitanje tablice počinje s niklom. S 10–14% Ni, 316L nalazi se unutar najlošijeg dijela Copsonove krivulje, zbog čega ga usluga vrućeg klorida razbija - njegova ISO 15156-3 omotnica je uska (otopina-samo žarena, oko 22 HRC maksimalne tvrdoće, niske granice klorida i temperature). 904L podiže nikl na 23–28% i poboljšava otpornost na SCC, ali ostaje nehrđajući čelik ispod širokog praga otpornosti i nosi istu vrstu ograničenja tvrdoće.

Incoloy 825 s 38–46% Ni prva je obiteljska razina s velikom marginom iznad raspona pucanja i jedina je od tri vrste -bogatih željezom kvalificirana kao tip 4c CRA s gornjom granicom tvrdoće od 35 HRC. Legura 625 (PREN ≈ 52, kritična temperatura pitinga iznad 80 stupnjeva u 1M NaCl prema ASTM G150) i C-276 (PREN ≈ 69) osigurava znatno veću otpornost na piting i pukotine uz znatno višu cijenu; zarađuju svoju cijenu kada se premaši omotnica 825. Imajte na umu da je PREN Incoloya 825 od ≈ 31 blizu 904L - njegova prednost je otpornost na SCC i SSC i kvalifikacija kiselosti, a ne broj pittinga.

Slika 2. Sadržaj nikla i otpornost na piting (PREN) kandidata za kisele-uslužne legure (vrijednosti nominalnog sastava; PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N).

Gdje se Incoloy 825 koristi u uslugama bogatim-kiselim plinom i kloridima?

Incoloy 825 je specificiran svugdje gdje se H₂S susreće s vrućom kloridnom slanom vodom: bušotine i kućišta u bušotinama kiselog plina, protočni vodovi kiselog plina i sabirni sustavi, oprema za ušće i površinsku opremu, vodovi za-vodu i-injektiranje kemikalija i izmjenjivači topline -, a jednako je kod kuće u kemijskim postrojenjima koja rade sa sumpornom, fosfornom i miješanom kiselinom.

Tablica 4 sažima glavna područja primjene i poslove zaštite od korozije koje svako od njih zahtijeva.

Tablica 4. Reprezentativne primjene Incoloya 825 u uslugama bogatim kiselim plinom i-kloridima.

Koja su praktična ograničenja Incoloya 825 u H₂S službi?

Kao praktično pravilo odabira, Incoloy 825 odgovara kiseloj uporabi s parcijalnim tlakom H₂S ispod oko 0,1 MPa (15 psi), temperaturom ispod oko 150 stupnjeva i kloridom ispod otprilike 20 000 ppm; izvan te ovojnice - ili kada pH padne ispod ~3,5, dođe do prodora kisika ili se primjenjuju HPHT uvjeti - inženjeri prelaze na leguru 625, C-276 ili ekvivalentne visokolegirane kvalitete.

Klasifikacija ISO 15156-3 tipa 4c definira granicu pucanja; praktična omotnica iznad odražava široko korištene industrijske smjernice za primjenu Incoloy 825 u kiselim bušotinama i početna je točka, a ne zamjena za evaluaciju specifičnu za projekt.

Ograničenja postoje iz fizičkih razloga. PREN ≈ 31 caps otpornost na udubljenje i pukotine na povišenoj temperaturi, a udubljenje je prethodnik kloridnog SCC-a. Kako temperatura raste, pasivni film postaje manje zaštitni, a kloridi postaju agresivniji; kako parcijalni tlak H₂S i koncentracija klorida rastu zajedno, povećava se rizik od prijelaza jame-u-pukotinu i opće korozije (uključujući taloženje sumpora). Elementi poput ulaska kisika ili pH ispod ~3,5 dodatno sužavaju siguran prozor. To su upravo situacije u kojima viši molibden legure 625 ili C-276 zarađuje svoju premiju troškova.

Tipični pokretači nadogradnje s Incoloya 825 na Alloy 625 ili C-276 uključuju:

• Temperatura -Trajna radna temperatura iznad ~150 stupnjeva.
• Kloridi -Koncentracija klorida iznad ~20 000 ppm u kombinaciji s povišenom temperaturom.
• Ozbiljnost H₂S -Parcijalni tlak H₂S iznad ~0,1 MPa (15 psi) sa slobodnom vodom.
• pH -In-situ pH ispod ~3,5 ili niska-pH kondenzirana faza.
• Oksidirajući uvjeti -Ulaz kisika ili gazirani sustavi koji razbijaju pasivnost.
• Izuzetna usluga -HPHT bušotine, taloženje-elementarnog sumpora ili ponovljeni ciklusi-zatvaranje/pokretanje-.

Kako bi Incoloy 825 trebao biti zavaren i proizveden za kiselu upotrebu?

Incoloy 825 lako se zavaruje konvencionalnim postupcima koji koriste preko-legirana nikalna punila - obično Legura 82 (ERNiCr-3) ili Legura 625 (ERNiCrMo-3). Budući da je legura stabilizirana-titanom, žarenje u otopini nakon zavarivanja općenito nije potrebno za obnovu otpornosti na koroziju; kritične kontrole za kiselu upotrebu su zavareni metal i tvrdoća ZUT-a (Manje od ili jednako 35 HRC), čistoća površine i kvalificirani postupci zavarivanja.

Stabilizacija titana je ključna metalurška činjenica. Titan se preferirano spaja s ugljikom, tako da krom ostaje u čvrstoj otopini u zoni-zahvaćene toplinom zavarivanja, a taloženje -karbida kroma (senzibilizacija) je potisnuto u -zavarenom stanju. Incoloy 825 stoga izbjegava interkristalnu koroziju i SCC put koji muči nestabilizirane vrste nehrđajućeg čelika nakon zavarivanja, a toplinska obrada nakon -zavarivanja općenito nije potrebna niti se preporučuje za te stabilizirane austenitne stupnjeve.

Odabir punila slijedi standardnu ​​CRA praksu: odgovara leguri 82 (ERNiCr-3) za većinu primjena, ili preko-legirane legure 625 (ERNiCrMo-3) gdje se želi maksimalna granica korozije. Praksa-legure nikla primjenjuje se na - čiste površine s niskim sadržajem sumpora; kontrolirani unos topline i međuprolazna temperatura; i strogo izbjegavanje kontaminacije ugljičnim čelikom od alata ili brušenja.

Za kiselo{0}}kvalificiranje usluge, ista gornja granica tvrdoće koja se primjenjuje na osnovni metal primjenjuje se na metal zavarivanja i zonu utjecaja topline-. Ispitivanja tvrdoće (prema ASTM E10/E18) standardni su korak prihvaćanja, a kritični projekti ih nadopunjuju SSC testiranjem prema NACE TM0177 i kvalifikacijom pitinga prema ASTM G48. Pikiranje ili pasiviranje nakon izrade dovršava pripremu površine.

Kako mogu odabrati između Incoloya 825 i drugih legura-otpornih na koroziju?

Odaberite Incoloy 825 kada okolina spaja H₂S s kloridima pri umjerenim temperaturama i pritiscima; ograničiti 316L i 904L na blage, niske-uvjete klorida; i prijeđite na leguru 625 ili C-276 kada temperatura, kloridi ili ozbiljnost H₂S prijeđu granicu 825.

Disciplinirani proces selekcije odvija se u pet koraka.

Korak 1 -Definirajte radno okruženje: parcijalni tlak H₂S i CO₂, temperatura, in-in situ pH, koncentracija klorida, elementarni sumpor, ulazak kisika, vodostaj i uvjeti poremećaja.

Korak 2 -Provjerite standard: potvrdite da je kandidat naveden u posljednjem izdanju NACE MR0175/ISO 15156-3 za točnu uslugu, uključujući ograničenja tvrdoće za oblik proizvoda i zavare.

Korak 3 -Rangirajte rizike kvara: kloridni SCC (sadržaj nikla u odnosu na Copsonovu krivulju), SSC/HIC (tvrdoća i mikrostruktura) i rupičasta korozija (PREN i kritična rupičasta temperatura).

Korak 4 -Usporedite ekonomiju tijekom životnog vijeka imovine: trošak materijala, proizvodnja, potrošni materijal za zavarivanje, inspekcija i očekivani životni vijek. Incoloy 825 tipično je odabir vrijednosti za umjereno kiselo posluživanje; duplex ili 904L samo ako su kloridi i H₂S blagi; Legura 625 ili C-276 samo za teške uvjete.

Korak 5 -Potvrdite podacima: ispitivanje korozije kao što su NACE TM0177 (SSC), ASTM G48 (piting) i ASTM G36 (SCC), uz podršku kvalificiranog inženjera korozije prije konačne nabave.