Miksi 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetut sähkölämmitysputket, joissa on titaania-muokattu hitsaustäytemetalli kestävät sulfidijännityshalkeilua hapanvesipalvelussa 80–120 asteessa tehokkaammin kuin omaperäiset hitsit?

Hapanvettä, liuennutta rikkivetyä sisältävää prosessivettä, tuotetaan jalostamoissa, maakaasun käsittelylaitoksissa ja anaerobisissa keittimissä. 80–120-asteisessa happamassa vedessä pyörivissä sähkölämmitysputkissa H2S:n, kosteuden ja jäännösjännityksen yhdistelmä aiheuttaa sulfidijännityshalkeilua (SSC) 316 ruostumattomassa teräsosassa erityisesti hitsausliitoksissa. 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetun vaipan autogeenisille kaasuvolframikaarihitsauksille (GTAW) on tyypillistä valettu metallirakenne, jossa on mikro-erotettua ferriittiä, jotka ovat ihanteellisia paikkoja murtumien alkamiselle. Titaanin sisällyttäminen hitsaustäytemetalliin, erityisesti stabiloivana elementtinä AWS ER318:n kaltaisissa lajeissa (jossa 0,4–0,7 % Ti) muuttaa perusteellisesti hitsimetallin mikrorakennetta, jalostaa ferriitin jakautumista ja edistää tasaisempaa austeniittista matriisia, joka kestää paremmin vetyhaurastumista ja sulfidia. Tässä artikkelissa arvioidaan titaanimodifioitujen 316-tyyppisten täytemetallien SSC-resistanssin paranemista hapanvesiympäristöissä perustuen NACE TM0177 -standardin mukaiseen nopeutettuun testaukseen ja öljy- ja kaasuvesilämmityssovellusten kenttävikatietoihin.

Titaanin stabiloinnin metallurginen mekanismi ruostumattoman 316-teräksen vaippahitsauksessa
Ruostumattoman 316-teräksen autogeeninen hitsaus, eli hitsaus ilman lisäainemetallia, muodostaa hitsauspalon, joka koostuu kokonaan uudelleen-jähmettyneestä perusmetallista. Primaarisen austeniitin ja sekundaarisen delta-ferriitin dupleksirakenne hitsimetallissa syntyy nopealla jähmettymisellä. Ferriittiprosentti on usein 5–15 % jäähdytysnopeudesta ja koostumuksesta riippuen. H2S-korroosion katodisessa reaktiossa syntyneet vetyatomit H2S:ää sisältävässä vedessä (yleensä 50-5000 ppm) imeytyvät hitsimetalliin. Austeniitti-ferriittirajapinnat toimivat vetyloukkuina ja ferriittifaasi on herkkä mikrosäröille, kun paikallinen vetypitoisuus saavuttaa kriittisen arvon. Halkeama tapahtuu ferriitti-austeniittirajoilla ja aiheuttaa SSC-vian, joka tapahtuu yleensä viikkojen kuluessa huollosta.

Täytemetalliin lisätään titaania ferriitin säätelemiseksi, kuten titaanilla modifioitujen täytemetallien, kuten ER318, tapauksessa. Titaani muodostaa ensisijaisesti titaanikarbideja (TiC) ja vähentää siten kromikarbidien saostukseen käytettävissä olevan hiilen määrää. Vielä tärkeämpää on, että titaani on austeniittistabilaattori hitsin jähmettymisen aikana, mikä estää jatkuvien ferriittiverkkojen muodostumisen. ER318, jossa on 0,4–0,7 % titaania, vähentää hitsin ferriittiluvun autogeenisten 316-hitsien tavanomaisesta 8–15:stä 2–6:een. Loput ferriitistä on läsnä eristyneinä saarekkeina pikemminkin kuin yhteenkudottuina raerajapinnoitteina. Epäjatkuva ferriittimorfologia estää jatkuvien halkeamakanavien muodostumisen hitsimetallin läpi.

NACE TM0177 Menetelmä A -testi kvantitatiiviselle SCC-resistenssille
316 ruostumattoman teräsvaippaputken hitsausnäytteiden vetokoe suoritettiin H2S-kyllästetyssä 5 % NaCl-liuoksessa ja 0,5 % etikkahapolla (pH 2,7–3,0) standardoiduissa olosuhteissa NACE TM0177 menetelmän A mukaisesti sulfidijännityshalkeilun arvioimiseksi. Kolme tutkittua hitsausolosuhteita olivat autogeeninen GTAW (ei täyteainetta), ER316L-täyteaine (normaali vähähiilinen 316-koostumus, ei titaania) ja ER318-täyteaine (titaanistabiloitu, 0,55 % Ti). Testilämpötila oli 80 astetta, H2S:n osapaine 1 bar ja kohdistettu jännitys oli 90 % kunkin hitsin havaitusta myötörajasta. Seuraavassa on yhteenveto murtuman pinnasta ja murtumatutkimuksesta.

Hitsin täyteaineen tyyppi Hitsin ferriittinumero (FN) Aika SSC-murtumiseen (tuntia, NACE TM0177) Murtumistila Halkeaman alkamispaikka
Autogeeninen (ei täyteainetta)11 – 14 72 – 120 ferriitti-austeniitin rajat hitsin keskilinjassa Rakeidenvälinen + transgranulaarinen
ER316L (ei-stabiloitu) 8 – 11 110 – 180 HAZ fuusiolinjan vieressä Intergranular, pääasiassa ferriittialtaiden kautta
ER318 (titaanistabiloitu) 3 – 5 420 – 580<500 h cracking only Transgranular in austenite Isolated islands of ferrite, no connection
ER318 + post weld solution anneal 2 – 4 >720 (testi päättyi virheettömästi) Halkeamia ei havaittu N/A
ER318-hitsausmetalli ylittää NACE TM0177:n vaatimuksen SSC-kestävyydestä happamissa ympäristöissä (tyypillisesti 720 tuntia ilman vikaa 80 %:n myötörajalla), kun sitä käytetään yhdessä oikeiden hitsausparametrien kanssa ferriittiluvun pitämiseksi alle 6:ssa. Autogeeniset hitsit ja ER316L-hitsaukset selittävät niiden nopean lämpenemisen tämän vuoksi. palvelua.

Hapanveden lämmittimen kentän suorituskyvyn vertailu jalostamossa
Jalostamoiden hapanvesistrippaussyötön esilämmittimet, jotka toimivat tyypillisesti 90-110 asteessa, 200-1000 ppm H 2 S, 50-300 ppm kloridia ja pH 5-7, antavat todellisen validoinnin laboratoriolöydöksille. Kolmen jalostamon 86 sähkölämmitysputkien 24 kuukauden arvioinnissa verrattiin autogeenista ja ER318-hitsattua 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettua vaippaa vikojen suhteen.

Autogeenisia hitsejä käyttävien lämmittimien (42 putkea kahdessa jalostamossa) vikatrendi oli 22 putkea (52 %) 12 kuukauden kuluttua ja 34 putkea (81 %) 24 kuukauden sisällä. Vikaanalyysi paljasti, että kaikissa 34:ssä vikaantuneessa autogeenisessä hitsiputkessa oli SSC, joka lähti hitsin keskilinjasta. Tavallinen halkeama kasvoi 50–80 % hitsin poikkileikkauksesta ennen rei'itystä ja maasulkua.

ER318-täytemetallilla hitsatut lämmittimet (44 putkea kahdessa jalostamossa, hitsin ferriittiluku rajoitettu alle tai yhtä suureen kuin 6) toimivat olennaisesti eri tavalla: 2 putkea (4,5 %) epäonnistui 12 kuukauden sisällä (molemmat asennusvauriot, ei SSC) ja 6 putkea (13,6 %) 24 kuukauden sisällä. Vioista vain yksi paljasti viitteitä SSC:stä – hitsaus, jonka raportoitu ferriittiluku on 9, mikä ylittää vaatimukset. Muut viisi vikaa johtuivat pistekorroosiosta vaipan suorissa osissa eivätkä ne liittyneet hitsin laatuun.

Autogeenisten hitsattujen vaippien keskimääräinen vikojen välinen aika oli 8,5 kuukautta, kun taas ER318-hitsattujen vaippien keskimääräinen vikojen välinen aika oli 38 kuukautta - parannuskerroin 4,5. Kustannuspalkkio ER318-täyteaineen määrittämisestä ja hitsin ferriittiluvun hallinnasta oli ~8–12 % lämmittimen hankintahinnasta, mikä johti 350 %:n parempaan käyttöikään.

Hitsauksen jälkeisen-käsittelyn vaikutus titaaniin-vakautettuihin hitseihin
ER318-hitsien jälki-hitsausliuoshehkutus tarjoaa ylimääräisen SSC-kestävyyden erityisen vihamielisiin hapanvesiolosuhteisiin – H₂S yli 1000 ppm, lämpötila yli 100 astetta tai pH alle 5,0. Liuoshehkutus 1050 asteessa ja vesijäähdytys poistaa mahdollisesti kehittyneet kromikarbidit ja homogenisoi täysin titaanista{6}}stabiloidun mikrorakenteen. Sähkökemialliset polarisaatiotestit paljastavat, että vedyn läpäisyvirran tiheys liuos{8}}hehkutetuissa ER318-hitsauksissa on 0,08 µA/cm2 H2S-kyllästetyssä liuoksessa verrattuna 0,25 µA/cm2 0,25 µA/cm2 8 ja geeniseen ER06/25 ER0615-hitsaukseen. hitsit. Mitä pienempi vedyn läpäisevyys on, sitä pienempi on haavoittuvuus SSC:lle.

Valmiiden lämmittimien liuoshehkutus on kuitenkin usein mahdotonta samoista syistä kuin aikaisemmissa artikkeleissa: sisäinen NiCr-kuumennuselementti hapettuu yli 800 astetta, ja päätetiivisteet (yleensä keraamiset tai kiille) eivät kestä sammutusprosessia. Jos jälkihitsauksen liuoshehkutus ei ole käytännöllistä, alhaisempi lämpötilan jännityksenpoisto 400–450 asteessa 2 tunnin ajan vähentää jäännöshitsausjännitystä vahingoittamatta sisäosia. Pelkästään tämä jännityksen lieventäminen nostaa SSC:n jännityskynnystä 15–20 % jatkuvassa-kuormitustestauksessa, mutta vähemmän kuin täysi hehkutus.

Hapanvedenlämmittimen hitsausten erittelykieli
Engineers purchasing 316 stainless steel encased electric heating tubes for sour water service containing any measurable H.sub.2.S should specify the following weld specifications: All wetted welds shall be formed with AWS ER318 filler metal (or comparable titanium stabilised 316 type filler) with certified ferrite number between 2 and 6 as determined in accordance with AWS A4.2. For any weld in contact with the process fluid, autogenous GTAW welding without filler is not allowed. Ferrite number measurements on three typical weld coupons shall be included in the welding procedure qualification record (WPQR) . For H 2 S concentrations greater than 300 ppm or operating temperatures greater than 95°C, each production weld shall also be verified for ferrite number by magne-gage or ferritescope and shall be rejected if FN is greater than 6 or less than 2. Specify post-weld stress relief at 425–450°C for 2 hours for H 2 S >1000 ppm sovelluksia. Harkitse koko vaipan päivittämistä seokseksi 825 tai 625, joilla on luonnollisesti suurempi SSC-vastus kuin millään 316-pohjaisella materiaalilla täytemetallin valinnasta riippumatta.

Tieto ER318-täytemetallissa olevan titaanin vaikutuksesta hitsausmetallin ferriitin muodon muuttamiseen jatkuvista verkoista eristettyihin saarekkeisiin antaa insinööreille mahdollisuuden kehittää hitsausmenetelmiä, jotka eliminoivat ensisijaisen SSC-aloituspolun hapanveden lämmityspalvelussa. Titaanistabiloidun täyteaineen vähäiset lisäkustannukset ovat perusteltuja 4-5-kertaisella käyttöiän pidentämisellä kaikissa laitteistoissa, joissa H2S ylittää 50 ppm.