Ерозія-Корозія в трубах з нержавіючої сталі: обмеження швидкості потоку за класом

Що таке ерозія-корозія та чому швидкість потоку контролює її?

Ерозія-корозія — це прискорена втрата металу, яка виникає, коли рідина механічно руйнує захисну пасивну плівку з нержавіючої сталі швидше, ніж плівка може відновитися -, а швидкість потоку — єдина змінна, яка визначає, чи відбудеться це руйнування.

Нержавіючі сталі та нікелеві сплавистійкі до корозії, оскільки хром (а у вищих сортів – молібден і нікель) утворює на поверхні тонку пасивну -хром-оксидну плівку, що самовідновлюється. За статичних або низьких-швидкісних умов будь-яке локальне пошкодження цієї плівки реактивується майже миттєво. Ерозія-корозія починається, коли швидкість потоку, турбулентність або захоплені частинки видаляють плівку механічно швидше, ніж реакція репасивації може відновити її. Після неодноразового оголення оголеного металу сплав піддається корозії зі швидкістю, набагато вищою, ніж під час статичного занурення -, що часто локалізується на колінах, трійниках, перехідниках, зварних швах і внизу за клапанами, де потік розривається або прискорюється.

Оскільки механізм є механічним-електрохімічним, а не суто хімічним, ерозію-корозію неможливо запобігти лише вибором матеріалу з необмеженою швидкістю. Кожна марка має порогову швидкість, вище якої пасивна плівка не встигає за механічним видаленням, і цей поріг - не загальна стійкість до корозії в тесті за зразком - є тим, що керує конструкцією трубопроводу в умовах високого-потоку.

Що визначає, чи одна оцінка перевершує іншу?

Стійкість до ерозії-корозії тісно пов’язана з еквівалентним числом опору точці (PREN) сплаву - високий вміст хрому, молібдену й азоту створює міцнішу, швидше{2}}загоювальну пасивну плівку, яка витримує вищі швидкості потоку, перш ніж пошкодження випереджають ремонт.

PREN, розрахований як %Cr + 3.3×%Mo + 16×%N, був розроблений для визначення стійкості до точкової кореляції, але він тісно корелює зі стійкістю до ерозії-корозії, оскільки обидва режими руйнування залежать від однакової стабільності пасивної-плівки. Сорти з вищими значеннями PREN швидше відновлюють свій захисний оксидний шар після механічного руйнування, що дозволяє їм витримувати більшу напругу зсуву стінки та вищу енергію удару-частинок до того, як чиста втрата металу стане значною.

Мікроструктура також має значення. Дуплексні та супердуплексні марки поєднують аустенітну та феритову фази, що надає їм вищу межу текучості, ніж аустенітні марки порівнянного PREN - механічну властивість, яка допомагає протистояти поверхневому-затвердінню та мікро-різанню, викликаному-потоком твердих тіл, незалежно від переваг хімічної пасивації. Ось чому дуплексні класи часто вказуються для ерозійної експлуатації, навіть якщо одно-фазовий аустенітний клас запропонує порівнянну загальну корозійну стійкість у статичному зануренні.

Типові значення PREN за сімейством сортів

Значення PREN є репрезентативними середніми значеннями, розрахованими з номінального хімічного складу відповідно до діапазонів складу ASTM A240/A276/A182; перевірити відповідність звіту про випробування питомої теплоємності (MTR) для використання в проекті.

Які рекомендовані обмеження швидкості потоку для труб загального класу?

У чистому обслуговуванні без{0}}твердих частинок стандартні аустенітні марки досягають приблизно 3-5 м/с, дуплекс 2205 розширює цей діапазон приблизно до 4-8 м/с, супердуплекс і марки 6Mo досягають 8-12 м/с, а нікелеві сплави, такі як сплав 625, використовуються особливо там, де швидкості перевищують швидкість, яку може витримати будь-який сорт нержавіючої сталі.

Наведені нижче діапазони є інженерними початковими точками, а не фіксованими допустимими значеннями. Вони синтезують методологію API RP 14E C-factor (яка призначає вищі C-фактори, а отже, вищу допустиму швидкість, більш стійким до ерозії-матеріалів) із дослідженням ерозії-корозії на окремих ступенях. Кожен проект має підтверджувати обмеження щодо складу рідини, навантаження твердих речовин, температури та конкретної геометрії трубопроводу - дивіться наступні розділи, щоб дізнатися, як кожна змінна змінює число.

Діапазони складені на основі коефіцієнта -ерозійної -швидкості API RP 14E (нержавіюча сталь 13Cr C≈300; дуплексна нержавіюча сталь C≈350, номінально не містить твердих часток-), опублікованих даних випробувань на-корозію 2205 дуплексу в піску-морській воді (критична швидкість) ≈4 м/с) і стандартну галузеву практику проектування. Перевірте дані-специфічного потоку-проекту чи поля перед остаточним визначенням розміру лінії.

Як метод коефіцієнта API RP 14E C-застосовується до нержавіючих і дуплексних марок?

Рівняння швидкості ерозії API RP 14E, Ve=C ÷ √ρm, було написано для вуглецевої сталі, але зазвичай поширюється на нержавіючі та дуплексні труби шляхом заміни вищого C-фактора - приблизно 300 для 13Cr нержавіючої сталі та 350 для дуплексної нержавіючої сталі в номінальному твердому стані-безкоштовне обслуговування -, що підвищує розрахункову допустиму швидкість пропорційно до більшої ерозії-стійкості матеріалу до корозії.

У вихідному рівнянні API RP 14E Ve — це межа ерозійної швидкості у футах/с, ρm — густина суміші газ-рідина в умовах потоку в фунтах/фут³, а C — емпірична константа, пов’язана з матеріалом і важкістю експлуатації. API за замовчуванням C=100 для безперервної обробки вуглецевої-сталі був розроблений консервативно, і, як показали пізніші польові дослідження, він був надто обережним для багатьох чистих, не-шліфованих систем - деякі оператори повідомляють про прийнятну продуктивність із C-факторами значно вище 200 після того, як інгібування корозії та вміст твердих речовин контролюються.

Для нержавіючих і дуплексних труб промислова практика підвищує коефіцієнт C-суттєво вище базової лінії вуглецевої-сталі, щоб відобразити вищий поріг ерозії-корозії: значення близько 300 для 13Cr нержавіючої сталі та 350 для дуплексної нержавіючої сталі зазвичай наводяться для номінально вільного-твердого вмісту. Оскільки API RP 14E сам по собі не визначає коефіцієнти C-нержавіючої-нержавіючої сталі, ці цифри функціонують як рекомендації щодо проектування, отримані на основі досвіду оператора та додаткових досліджень, а не як обов’язкова вимога коду - інженери повинні розглядати їх як відправну точку для визначення розмірів, підлягаючи перевірці за допомогою конкретної служби.

Чи змінює пісок чи інші захоплені тверді речовини межу швидкості?

Так, - вміст твердих речовин є найбільшим модифікатором обмежень швидкості ерозії-корозії, і опубліковані дані випробувань показують, що навіть добре-пасивований сорт, як-от дуплекс 2205, падає до критичної швидкості близько 4 м/с, коли пісок захоплюється потоком, порівняно з приблизно удвічі вищою швидкістю в чистій морській воді.

Дослідження ерозії-корозії дуплексної нержавіючої сталі 2205 у текучій морській воді з частинками піску виявило критичну швидкість близько 4 м/с, вище якої ерозійно-корозійне пошкодження різко зростає, оскільки швидкість потоку зростає, а втрата маси прискорюється із вмістом піску. Нижче цього порогу присутній механічний вплив частинок, але корозійне-видалення пасивної плівки домінує над пошкодженням; над ним механізм зміщується в бік ерозійного-зношування, яке значно випереджає репасивацію.

Ось чому API RP 14E прямо відмовляється пропонувати фіксований C-фактор для-сервісів із твердими речовинами, а натомість закликає до-спеціального тестування проекту. Швидкість, яка є комфортно консервативною у відфільтрованому, чистому технологічному потоці, може значно перевищувати поріг ерозії-корозії в нефільтрованій видобутій-воді або лінії суспензії, використовуючи ідентичний сорт труби та товщину стінки. Будь-яку таблицю швидкостей -, включаючи таблицю в цій статті -, слід розглядати як незастосовну, якщо навантаження твердих речовин перевищує кілька фунтів на тисячу барелів без перевірки-спеціального проекту.

Як слід регулювати обмеження швидкості для конкретних умов експлуатації?

Концентрація хлоридів, температура та вміст розчиненого газу зміщують межу ефективної швидкості незалежно від вмісту твердих речовин, тому той самий сорт може мати різну допустиму швидкість у закачуванні морської води, видобутій воді та геотермальному розсолі навіть за однакового навантаження частинок.

Морська вода та хлориди-Багатий сервіс

Хлориди атакують пасивну плівку безпосередньо через точкові утворення, що знижує поріг ерозії-корозії, оскільки плівка вже ослаблена ще до початку механічного руйнування. У повній-морській воді швидкість 316L часто-обмежується значно нижче його номінального значення для чистої-води, спеціально для того, щоб зменшити ризик точкової ямки, а сорти дуплексу або супер-дуплексу є специфікаціями за замовчуванням, коли вміст хлоридів або температура підвищується.

Підвищена температура

Кінетика репасивації пасивної-плівки сповільнюється зі зростанням температури в агресивному середовищі, що звужує межу між швидкістю, яка спричиняє руйнування, та швидкістю, з якою плівка може загоюватися. Високотемпературна-ерозійна робота - геотермальний розсіл, гарячі технологічні потоки - зазвичай підштовхує вибір марки до вищого-дуплексу PREN, супер-аустенітного або нікелевого-сплаву, навіть за швидкості потоку, яку нижчий клас міг би витримати за температури навколишнього середовища.

Розчинений CO2 і H2S

У системах збору нафти та газу розчинений CO2 утворює вугільну кислоту, яка атакує будь-який відкритий основний метал швидше, ніж звичайна вода, посилюючи ерозію-корозію, коли пасивна плівка порушується. Вимоги NACE MR0175/ISO 15156 до-обслуговування містять додаткові металургійні обмеження -, такі як межі твердості та -умови термічної обробки - на додаток до обмеження швидкості ерозії-корозії, і ці два набори вимог мають виконуватися одночасно, а не незалежно.

Що відбувається, коли перевищено ліміт швидкості?

Перевищення обмеження швидкості ерозії-корозії спричиняє локальну, прискорену втрату-товщини стінки -, як правило, у колінах, трійниках і внизу за обмеженнями -, що може прогресувати від знахідки-масштабу до наскрізь-протікання стінки набагато швидше, ніж передбачила рівномірна корозія.

Оскільки ерозійна-корозія є само-підсилювальною, тонша -місця високої турбулентності збільшує локальну шорсткість та інтенсивність турбулентності, що додатково прискорює видалення плівки в тій самій точці. Це призводить до характерної підковоподібної-або фестончастої-схеми втрат стінки, яка спостерігається на колінних додаткових патрубках, трійниках і вихідних отворах редуктора в пошкоджених - трубопроводах - пошкодження, яке загальний розрахунок-допуску на корозію на основі рівномірних втрат металу не передбачить.

На практиці це означає, що програми інспекції для ліній, схильних до ерозії-корозії-, мають надавати пріоритет геометричним розривам за допомогою ультразвукового відображення товщини, а не покладатися лише на середні тенденції-втрат стінок.

Як інженерам вибрати правильний сорт для високо-швидкісних трубопроводів?

Виберіть найнижчий-клас PEN, який відповідає фактичній швидкості проекту, твердим речовинам, хлоридам і температурній зоні з запасом - не найвищий-можливий рівень PEN -, оскільки дуплексні, супердуплексні та труби з нікелевих-сплавів мають суттєву надбавку до вартості порівняно зі стандартними аустенітними марками.

Практична послідовність вибору класу-починається з 316L як базового для помірної швидкості, низького-хлориду,-без твердих речовин. Там, де очікується вплив морської води, занесення піску або швидкість вище приблизно 5 м/с, 2205 дуплекс є стандартним оновленням, пропонуючи суттєвий стрибок як PREN, так і межі текучості при помірному збільшенні вартості порівняно з аустенітними класами. Супер дуплекс 2507 і 6Mo супер{10}}аустенітних марок, таких як 254 SMO, зарезервовано для найвищих-швидкісних або найвищих{13}}сегментів системи - зазвичай коротких високо-турбулентних золотників, дроселів і регулюючих клапанів або інжекторних колекторів -, а не вказано по всій лінії, що контролює витрати, захищаючи точки-найвищого ризику.

Нікелеві сплави, такі як сплав 625, потрапляють у вибір, коли швидкість, температура та вміст хлориду разом перевищують те, що може надійно витримати будь-яке сімейство нержавіючих матеріалів, або коли потрібна гальванічна сумісність із наявним обладнанням із нікелевих-сплавів. Оскільки сплав 625 і схожі нікелеві сплави мають найвищу вартість матеріалу в цьому порівнянні, вони зазвичай застосовуються вибірково - на струменевих насосах, дроселях та інших високошвидкісних компонентах-джерела--, а не на повних ділянках труб, з двосторонніми або супердуплексними трубами, що забезпечують баланс лінії.

Часті запитання

Q: Яка максимальна швидкість для труби з нержавіючої сталі 316L?

A: У чистій роботі без-твердих частинок 316L зазвичай обмежується приблизно 3-5 м/с (10-16 футів/с). У морській воді або інших рідинах, багатих хлоридами, практична межа зазвичай встановлюється нижчою для управління ризиком точкової корекції, а не чистої ерозії, а дуплексні класи часто вказуються натомість, коли присутні хлориди.

Q: Чи дуплексна нержавіюча сталь більш стійка до-ерозії, ніж 316L?

A: так Duplex 2205 має PREN приблизно 35 проти приблизно 24-26 для 316L, а його дво-фазна мікроструктура додає межу текучості, якої не вистачає аустенітним сортам, що разом підвищує поріг швидкості ерозії-корозії значно вище 316L як у чистій експлуатації, так і в роботі з твердими речовинами.

Q: Чи застосовується рівняння API RP 14E безпосередньо до труб з нержавіючої сталі?

A: Не безпосередньо - Коефіцієнт C- API RP 14E за замовчуванням 100 був розроблений для вуглецевої сталі. У нержавіючих і двосторонніх трубах використовуються вищі C-фактори (приблизно 300 для нержавіючої сталі 13Cr і 350 для дуплексних у номінальному твердому тілі-вільне використання), взяті з галузевої практики, оскільки рекомендована практика сама по собі не публікує специфічні значення-нержавіючої сталі.

Q: Наскільки вміст піску знижує межу швидкості для нержавіючої сталі?

A: Істотно. Опубліковані випробування дуплексу 2205 у морській воді, насиченій піском, виявили критичну швидкість близько 4 м/с, що становить приблизно половину швидкості, допустимої в чистих умовах,-без твердих частинок, а ерозійне-корозійне пошкодження ще більше прискорюється, коли вміст піску перевищує цей поріг.

Q: Коли в проекті слід використовувати нікелевий сплав замість супердуплексної нержавіючої сталі?

A: Коли швидкість потоку, температура та вміст хлоридів разом перевищують те, що можна надійно витримати для марок супер дуплекс або 6Mo, або де застосовуються вимоги до-експлуатації, гальванічної-сумісності або екстремальних{3}}температур. Нікелеві сплави, такі як сплав 625, зазвичай використовуються вибірково для високо-швидкісних компонентів, а не для цілих участків труб, враховуючи їх високу вартість.