Miks peavad 316 roostevabast terasest mantliga elektrilised küttetorud titaanist-modifitseeritud keevisõmblustega metallist vastu sulfiidpinge pragunemisele hapuveeteenuses 80–120 kraadi juures tõhusamalt kui autogeensed keevisõmblused?

Hapuvett ehk lahustunud vesiniksulfiidi sisaldavat protsessivett toodetakse rafineerimistehastes, maagaasi töötlemise tehastes ja anaeroobsetes kääritites. 80–120 kraadises hapuvees jooksvates elektriküttetorudes põhjustab H2S, niiskuse ja tõmbejääkpinge koosmõju 316 roostevabast terasest detailis sulfiidpinge pragunemist (SSC), eriti keevisliidetes. 316 roostevabast terasest kestast koosnevaid autogeenseid gaasvolframkaarkeeviseid (GTAW) iseloomustab valatud keevismetallkonstruktsioon koos mikro-eraldatud ferriidikogumitega, mis on ideaalsed kohad murdude tekkeks. Titaani lisamine keevisõmbluse täitemetalli hulka, eriti stabiliseeriva elemendina sellistes klassides nagu AWS ER318 (koos 0,4–0,7% Ti), muudab põhjalikult keevismetalli mikrostruktuuri, täpsustades ferriidi jaotust ja soodustades ühtlasemat austeniitset maatriksit, millel on parem vastupidavus vesiniku rabedusele ja sulfiidile. Selles artiklis hinnatakse titaaniga modifitseeritud 316-tüüpi täitemetallide SSC-kindluse suurenemist hapuveekeskkonnas, tuginedes NACE TM0177 kiirendatud testimisele ja ülesvoolu nafta- ja gaasivee soojendamise rakenduste väljatõrkeandmetele.

Roostevabast terasest 316 valmistatud keevismetalli titaani stabiliseerimise metallurgiline mehhanism
Roostevaba terase 316 autogeenne keevitamine, st keevitamine ilma täitemetalli lisamiseta, tekitab keevisõmbluse, mis koosneb täielikult taas-tahkendatud mitteväärismetallist. Primaarse austeniidi ja sekundaarse delta-ferriidi dupleksstruktuur keevismetallis tekib kiirel tahkumisel. Ferriidi osakaal on sageli 5–15%, sõltuvalt jahutuskiirusest ja koostisest. Vesinikuaatomid, mis tekivad H2S-i korrosiooni katoodreaktsioonil H2S-i sisaldavas vees (tavaliselt 50-5000 ppm), imbuvad keevismetalli. Austeniidi-ferriidi liidesed toimivad vesinikupüüdjatena ja ferriidifaas on vastuvõtlik mikropragudele, kui kohalik vesiniku kontsentratsioon saavutab kriitilise väärtuse. Pragu tekib ferriidi-austeniidi piiridel ja põhjustab SSC rikke, mis tavaliselt ilmneb nädala jooksul pärast teenindust.

Täitemetallile lisatakse ferriidi reguleerimiseks titaani, nagu titaaniga modifitseeritud täitemetallide, näiteks ER318 puhul. Titaan moodustab eelistatavalt titaankarbiidid (TiC) ja vähendab seega kroomkarbiidide sadestamiseks saadaoleva süsiniku hulka. Veelgi olulisem on see, et titaan on keevisõmbluse tahkestumise ajal austeniidi stabilisaator, mis takistab pidevate ferriitvõrkude teket. ER318 0,4–0,7% titaaniga vähendab keevisferriidi arvu autogeensete 316 keevisõmbluste tavapäraselt 8–15-lt 2–6-ni. Ülejäänud osa ferriidist esineb pigem eraldatud saartena kui põimunud terapiiride katetena. Katkendlik ferriidi morfoloogia takistab pidevate pragude kanalite teket keevismetalli kaudu.

NACE TM0177 meetod A kvantifitseeritud SCC-resistentsuse test
316 roostevabast terasest mantliga toru keevisproovide tõmbekatse viidi läbi H2S-küllastunud 5% NaCl lahuses 0,5% äädikhappega (pH 2,7–3,0) standardtingimustes vastavalt NACE TM0177 meetodile A, et hinnata sulfiidpinge pragunemist. Kolm uuritud keevisõmbluse tingimust olid autogeenne GTAW (täiteaineta), ER316L täiteaine (tavaline madala süsinikusisaldusega 316 koostis, ilma titaanita) ja ER318 täiteaine (titaaniga stabiliseeritud, 0,55% Ti). Katsetemperatuur oli 80 kraadi, H2S osarõhk oli 1 bar ja rakendatud pinge moodustas 90% iga keevisõmbluse vaadeldud voolavuspiirist. Järgnevalt on toodud kokkuvõte luumurru pinnast ja luumurdumiseni kuluvast ajast.

Keevisliidese täiteaine tüüp Keevisferriidi number (FN) Aeg SSC purunemiseni (tunnid, NACE TM0177) Murderežiim Pragunemise koht
Autogeenne (ilma täitematerjalita)11 – 14 72 – 120 ferriit-austeniidi piirid keevisõmbluse keskjoonel Teradevaheline + transgranulaarne
ER316L (mitte-stabiliseeritud) 8 – 11 110 – 180 HAZ graanulitevahelise termotuumasünteesi kõrval, peamiselt ferriidikogumite kaudu
ER318 (titaaniga stabiliseeritud) 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 (katse lõppes tõrgeteta) Pragusid pole näha
ER318 keevismetall ületab NACE TM0177 nõuet SSC vastupidavuse osas hapu keskkonnas (tavaliselt 720 tundi ilma tõrgeteta 80% voolavuspinge juures), kui seda kasutatakse koos õigete keevitusparameetritega, et hoida ferriidiarv alla 6. Autogeensed keevisõmblused ja ER316L keevisõmblused selgitavad nende kiiret kuumenemist vees. teenus.

Rafineerimistehase hapuveesoojendi toimivuse võrdlus
Rafineerimistehaste hapuveeeemaldussoojendid, mis töötavad tavaliselt temperatuuril 90-110 kraadi, 200–1000 ppm H 2 S, 50–300 ppm kloriidi ja pH 5–7, kinnitavad laboratoorseid tulemusi reaalses maailmas. Kolme rafineerimistehase 86 elektriküttetorude 24-kuulises hinnangus võrreldi autogeense ja ER318-ga keevitatud 316 roostevabast terasest kesta rikkemäärade osas.

Autogeenseid keevisõmblusi kasutavatel kütteseadmetel (kahes rafineerimistehases 42 toru) oli 22 toru (52%) rikketrend 12 kuu pärast ja 34 toru (81%) 24 kuu jooksul. Rikkeanalüüs näitas, et kõigil 34 ebaõnnestunud autogeensel keevistorul oli keevisõmbluse keskjoonest tulenev SSC. Tavaline pragu kasvas enne perforatsiooni ja maandusriket läbi 50–80% keevisõmbluse ristlõikest.

ER318 täitemetalliga keevitatud küttekehad (44 toru kahes rafineerimistehases, keevitatud ferriidi arv on piiratud 6 või alla 6) toimisid oluliselt erinevalt: 2 toru (4,5%) ebaõnnestus 12 kuu jooksul (mõlemad paigalduskahjustused, mitte SSC) ja 6 toru (13,6%) 24 kuu jooksul. Riketest ilmnes SSC tunnuseid vaid üks – keevisõmblus teatatud ferriidiarvuga 9, mis ületab nõudeid. Ülejäänud viis riket olid põhjustatud punktkorrosioonist ümbrise sirgetes osades ja need ei olnud seotud keevisõmbluse kvaliteediga.

Autogeensete keevitatud kestade keskmine rikete vaheline aeg oli 8,5 kuud, samas kui ER318-keevitatud kestade keskmine rikete vaheline aeg oli 38 kuud – paranemistegur oli 4,5. Kulupreemia ER318 täiteaine määramise ja keevisferriidi numbri haldamise eest oli ~8–12% küttekeha ostuhinnast, mille tulemusel paranes kasutusiga 350%.

Keevitusjärgse-töötluse mõju titaan-stabiliseeritud keevisõmblustele
ER318 keevisõmbluste järgnev-lõõmutamine keevislahusega tagab täiendava SSC-kindluse eriti vaenulike hapuveetingimuste korral – H₂S üle 1000 ppm, temperatuur üle 100 kraadi või pH alla 5,0. Lahuse lõõmutamine 1050 kraadi juures ja veekarastamine eemaldab kõik tekkida võinud kroomkarbiidid ja homogeniseerib täielikult titaanist -stabiliseeritud mikrostruktuuri. Elektrokeemilised polarisatsioonitestid näitavad, et lahusega lõõmutatud ER318 keevisõmbluste vesiniku läbilaskvuse voolutihedus on H2S-küllastunud lahuses 0,08 µA/cm2, võrreldes 0,25 µA/cm2 0,25 µA/cm2 kui{16}}autokeevitatud ER0A315. keevisõmblused. Mida madalam on vesiniku läbilaskvus, seda väiksem on haavatavus SSC suhtes.

Valmis küttekehade lahusega lõõmutamine on aga sageli võimatu samadel põhjustel, mida on kirjeldatud eelmistes artiklites: sisemine NiCr kütteelement oksüdeerub temperatuuril üle 800 kraadi ja klemmitihendid (tavaliselt keraamilised või vilgukivist) ei talu karastusprotsessi. Kui keevitusjärgne lõõmutamine ei ole teostatav, vähendab pinge vähendamine madalamal temperatuuril 400–450 kraadi juures 2 tunni jooksul keevituse jääkpingeid ilma sisemisi komponente kahjustamata. Ainuüksi see stressi leevendamine tõstab pideva-koormustesti korral SSC pingeläve 15–20%, kuid vähem kui täielik lõõmutamine.

Hapuveesoojendi keevisõmbluste spetsifikatsiooni keel
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 rakendused. Kaaluge kogu ümbrise värskendamist sulamile 825 või sulamile 625, millel on loomulikult suurem SSC-takistus kui mis tahes 316-põhisel materjalil, olenemata täitemetalli valikust.

Teadmised ER318 täitemetallis sisalduva titaani mõjust keevismetalli ferriidi kuju muutmisel pidevatest võrkudest isoleeritud saarteni võimaldavad inseneridel töötada välja keevitusprotseduurid, mis kõrvaldavad hapuvee soojendamise teenuse esmase SSC initsiatsioonitee. Titaanist stabiliseeritud täiteaine vähest suurenenud kulusid õigustab 4–5-kordne eluea pikenemine kõigis paigaldistes, kus H2S ületab 50 ppm.