Hastelloy C276 Стійкість до корозійного розтріскування під напругою в кислому газі: відповідність NACE MR0175

Hastelloy C276 (UNS N10276)має високу стійкість до корозійного розтріскування під напругою (SCC) у кислих газах і явно вказано як прийнятний корозійно{0}}стійкий сплав у NACE MR0175 / ISO 15156 Частина 3 як для сульфідного розтріскування під напругою (SSC), так і для середовища-орієнтованого водню-(SOHIC).

На відміну від аустенітних нержавіючих сталей, таких як 316L, які руйнуються через хлоридний SCC вище приблизно 60 градусів C, C276 по суті стійкий до хлоридного SCC та водню-індукованого SSC, оскільки його нікелева матриця не підтримує механізм розтріскування. Відповідність вимагає, щоб матеріал був у розчині-відпаленому стані з твердістю нижче 35 HRC і холодною обробкою нижче 20 відсотків; термічна обробка після-зварювання не допускається в діапазоні 600-1150 градусів C.

Чи стійкий Hastelloy C276 до корозійного розтріскування під дією напруги в кислому газі?

так C276, по суті, стійкий до корозійного розтріскування під напругою (SCC) і сульфідного розтріскування під напругою (SSC) у кислому газі, оскільки його повністю аустенітна матриця з високим вмістом-нікелю (приблизно 57 відсотків) не піддається механізмам розтріскування, викликаним хлоридом-або воднем-, які руйнують вуглецеву сталь і навіть серію 300 нержавіюча сталь в тому ж сервісі.

Корозійне розтріскування під напругою в кислих середовищах має два звичні режими відмови, яких C276 уникає. Перший – це хлоридне корозійне розтріскування під напругою (Cl-SCC), яке вражає аустенітну нержавіючу сталь (304/316), коли гарячі, вологі та хлоровані умови перевищують приблизно 60 градусів C; ці сплави тріскаються вздовж меж зерен під невеликою напругою розтягування. Незважаючи на те, що C276 також є аустенітним, він не тріскається таким чином, оскільки його вміст нікелю (приблизно 57 відсотків) порушує механізм - нікелеві сплави з вмістом приблизно 40-45 відсотків Ni загалом стійкі до Cl-SCC.

По-друге, сульфідне розтріскування під напругою (SSC), класичний вбивця вуглецевої -сталі в роботі з H2S: атомарний водень від корозії H2S проникає в сталь, накопичується в твердих зонах і викликає раптове крихке руйнування під напругою розтягу. C276 протистоїть цьому, оскільки він надзвичайно однорідний, не має твердих фаз під час-відпалу в розчині, а його нікелева матриця не стає крихкою, як це робить-кубічна сталь із центром тіла. Досвід використання кислих газів, ДДГ та хімічних заводів підтверджує термін служби C276 20-30 років без поломок SCC.

Що NACE MR0175 / ISO 15156 говорить про C276?

NACE MR0175 / ISO 15156 Частина 3 перераховує UNS N10276 (Hastelloy C276) як прийнятний корозійно-стійкий сплав (CRA) для роботи в кислих умовах у розчині-відпаленому стані, з максимальною твердістю 35 HRC і максимальною холодною дією 20 відсотків -, що означає, що C276 може бути вказаний для більшості агресивні H2S + CO2 + хлоридні середовища без обмежень щодо розтріскування в середовищі, які зв’язують вуглецеву та низько-леговану сталь.

NACE MR0175 / ISO 15156 — це міжнародний стандарт, який визначає прийнятні матеріали та екологічні обмеження для видобутку нафти та газу в кислих (з вмістом H2S-). Частина 3 охоплює корозійно-стійкі сплави (CRAs), включаючи сплави на основі нікелю-. У цьому сплаві C276 кваліфікується як CRA без межі розтріскування SSC/SOHIC в навколишньому середовищі, пов’язаної з парціальним тиском H2S, оскільки сплав є внутрішньостійким.

Стандарт передбачає два критерії-контролю стану матеріалу: твердість не має перевищувати 35 HRC (щоб запобігти відсутності твердих фаз), а холодна робота не має перевищувати 20 відсотків (холодна робота може підвищити твердість і створити залишкову напругу). Цим обмеженням легко дотримуватись розчин-відпалений C276, твердість якого зазвичай становить 85-95 HRB (приблизно 15-20 HRC еквівалент). Практичний висновок: інженер може вказати C276 для гирла свердловини з кислим газом, потокової лінії або сепаратора без детальних розрахунків розтріскування навколишнього середовища, необхідних для вуглецевої сталі, за умови дотримання контролю виготовлення (відпал, низька холодна робота, відсутність забороненої PWHT).

Таблиця 1. Вимоги NACE MR0175 / ISO 15156-3 для C276 (UNS N10276)

Джерело: NACE MR0175 / ISO 15156-3 (видання 2020 р.); Додаток, що стосується сплавів на основі нікелю.

Чому аустенітні нержавіючі сталі тріскаються, а C276 ні?

Аустенітні нержавіючі сталі, такі як 316L, тріскаються під час роботи з кислим хлоридом вище приблизно 60 градусів C, оскільки їх залізо-хромова матриця сприйнятлива до хлоридної корозії під напругою, тоді як нікелева-матриця C276 (приблизно 57 відсотків Ni) металургійно стійка як до хлориду SCC, так і водень-індукований SSC -, тому механізм відмови, який руйнує 316L, просто не може поширюватися в C276.

Щоб зрозуміти різницю, порівняйте два механізми. Хлоридний SCC у нержавіючій сталі потребує трьох умов: сприйнятливої ​​мікроструктури (сенсибілізований або холодно{1}}оброблений аустеніт), напруги розтягування та хлоридів вище порогової температури (зазвичай вказується як приблизно 60 градусів C для 316L, нижча з високим вмістом хлориду або низьким pH). Тріщина зароджується в ямці або тріщині та поширюється міжзерно. C276 містить лише близько 5-7 відсотків заліза та 16 відсотків хрому, але 57 відсотків нікелю; нікелеві сплави з вмістом Ni вище приблизно 40-45 відсотків не демонструють Cl-SCC таким же чином, і C276, зокрема, має тривалий досвід роботи в гарячому хлорованому та кислотному середовищах без SCC.

Для воднево-індукованого SSC вуглецеві та низько-леговані сталі виходять з ладу, оскільки поглинений водень збирається на твердому мартенситі або на границях зерен; C276, будучи однофазним-гранно{4}}центрованим кубічним нікелевим твердим розчином, не має такої жорсткої-фазової пастки та поглинає/транспортує водень без окрихчення. Чистий ефект: коли розробнику доводиться вибирати між 316L і C276 для кислого, хлорованого, теплого обслуговування, C276 повністю усуває режим відмови SCC, а не просто підвищує порогове значення.

Таблиця 2. Порівняння поведінки SCC: 316L проти C276 у кислих умовах

Джерело: NACE MR0175; Посилання на порогові значення SCC (наприклад, звіти про ефективність матеріалів); паспорти сплавів.

Як C276 порівнюється з іншими CRA у кислому газі?

Серед корозійно-{0}}стійких сплавів для кислих газів C276 є консервативним вибором вищого-рівню для сильно відновлюючих потоків із високим-хлоридом і -H2S; Inconel 625 відповідає потребам щодо окислювальних-хлоридів і вищої-міцності, сплав 825 покриває помірну кислотність, а 904L/316L обмежено низьким-хлоридом, нижчим{13}}H2S навантаженням -, тому C276 вибирається, коли середовище занадто агресивне для нижчого-рівня сплавів.

Вибір серед CRA – це корозійне рішення-конверт. Конкретно для кислого газу: 316L і 904L обмежені хлоридним SCC і хлоридним піттингом (їх PREN становить лише 23-26 і 33-36 відповідно), тому вони використовуються лише там, де низький вміст хлориду та H2S. Сплав 825 (PREN близько 30) справляється з помірною кислою та сірчаною кислотою, але не ідеальний там, де високий вміст хлоридів.

Inconel 625 (PREN близько 51) чудово окислює-хлориди та морську воду-як кислий продукт і забезпечує вищу міцність, але сильно відновлюючи кислоту плюс H2S, C276 (PREN близько 68 через 15-17 відсотків Mo) є кращим. C22 (PREN близько 65) дуже близький до C276 і часто використовується там, де домінують окислювальні змішані кислоти; для чисто кислого/знижувального домінування еталоном є C276. У наведеній нижче таблиці кожен сплав зіставляється з його кислим робочим конвертом, щоб дизайнер міг виправдати вибір C276 замість дешевшої альтернативи лише тоді, коли цього справді вимагає хімія.

Таблиця 3. Вибір CRA для обслуговування кислого газу

Джерело: Таблиці сплавів NACE MR0175; PREN, розрахований на основі номінальної хімії; Інструкції з вибору CRA.

Які екологічні експлуатаційні обмеження для C276 у кислих умовах?

Оскільки в NACE MR0175 C276 кваліфікується як CRA без обмежень щодо розтріскування в навколишньому середовищі, його робочі межі в кислинистому газі встановлюються загальною та локалізованою корозією (а не SCC) - зазвичай він працює приблизно до 190-230 градусів C у кислих водних середовищах і приблизно до 400-450 градусів C у сухому кислинистому газі, що значно перевищує температурний діапазон, де вуглецева сталь невдача SSC.

Для вуглецевої та низько{0}}легованої сталі NACE MR0175 накладає суворі обмеження на основі парціального тиску H2S, рН і хлориду (конверт «розтріскування в навколишньому середовищі»). C276, як CRA, звільнений від цих обмежень SSC/SOHIC, тому реальним обмеженням стає швидкість корозії.

У кислих водах (вироблена вода з H2S, CO2, хлоридами) C276 залишається пасивним і кородує зі швидкістю менше 0,1 мм/рік приблизно до 190-230 градусів C, вище якої загальна корозія в сильній кислоті може зростати. У сухому або не-водному кислому газі (без вільної води) C276 може працювати при навіть вищих температурах, причому межа високої-температури сплаву визначається його стійкістю до окислення/сульфідації - приблизно 400-450 градусів C у середовищах, що містять сірку (і приблизно до 650 градусів C при роботі з обмеженим повітрям).

Проектний момент такий: укажіть C276 для вологої, хлорованої, високо-H2S зони кислої системи; для сухих, більш гарячих ділянок вище за течією можуть працювати нижчі сплави або C276, але C276 забезпечує запас. Температурні межі завжди слід підтверджувати відносно конкретної концентрації кислоти та рівня хлориду за допомогою даних про корозію або випробувань.

Таблиця 4. Орієнтовний робочий конверт C276 у кислому режимі

Джерело: конверт NACE MR0175 CRA; дані про корозію Haynes C276; інструкції з нафтогазових матеріалів.

Які контрольні показники твердості й холодної-роботи застосовуються до C276 у кислій обробці?

Для відповідності стандарту NACE MR0175 C276 має постачатися в розчині-відпаленому стані з твердістю нижче 35 HRC і загальною холодною роботою нижче 20 відсотків; ці засоби контролю запобігають утворенню твердої-фази та залишковій напрузі, які, теоретично, можуть поставити під загрозу внутрішню стійкість сплаву до SSC.

Незважаючи на те, що C276 за своєю суттю стійкий до SSC-, NACE все ще накладає обмеження на твердість і холод-робку, оскільки виготовлення може ненавмисно створити зони твердості або залишкову напругу. Стеля 35 HRC легко досягається: розчин-відпалений C276 зазвичай має 85-95 HRB, що перетворюється на приблизно 15-20 HRC – значно нижче ліміту. Холодна обробка вище 20 відсотків одночасно підвищує твердість і створює залишкову напругу розтягування, тому вона обмежена; будь-яке формування понад 20 відсотків має супроводжуватися повним відпалом розчину для відновлення відповідності.

Зварні шви є особливим випадком: оскільки C276 стійкий до сенсибілізації, -зварена зона приймається без PWHT, але твердість зварного наплаву також має бути перевірена на рівні нижче 35 HRC (наноси ERNiCrMo-4/10 зазвичай знаходяться в діапазоні 85-95 HRB). Специфікації закупівель і виготовлення повинні прямо посилатися на NACE MR0175, вимагати випробування на твердість як основного металу, так і зварного шва, а також забороняти холодну роботу, що перевищує 20 відсотків, за винятком повторного відпалу.

Таблиця 5. Контрольний список відповідності вимогам до -твердості та холоду

Джерело: NACE MR0175/ISO 15156-3; ASME Розділ IX; плани якості виготовлення.

Як C276 зварюється для роботи з кислим газом?

C276 для кислого газу зварюється з наповнювачем ERNiCrMo-4 або ERNiCrMo-10, суворою продувкою підкладки аргоном (O2 нижче 50 ppm), підведенням тепла 0,5-1,5 кДж/мм, проміжним проходом нижче 93 градусів C і без термічної обробки після зварювання, а готовий зварний шов має бути перевірений на твердість нижче 35 HRC має зберегти відповідність NACE MR0175.

Зварювання C276 для використання в кислих умовах виконується за тією ж дисциплінованою процедурою, що й загальне зварювання C276, з додатковою вимогою перевірки твердості для підтвердження відповідності. Наповнювач (ERNiCrMo-4 або ERNiCrMo-10) осаджує метал зварного шва, який сам по собі є стійким до SSC і має показники нижче 35 HRC, тому PWHT не потрібний – що добре, оскільки PWHT у діапазоні 600-1150 градусів C все одно буде заборонено (це призведе до крихкості сплаву). Продувка аргоном (O2 нижче 50 ppm) захищає корінь від окислення, яке може створити місце ініціації корозії в кислих умовах.

Контроль надходження тепла запобігає випаданню інтерметалічних опадів. Після зварювання PT (для поверхневих тріщин) плюс RT/UT (для внутрішньої міцності) і перевірка твердості зварювального ковпачка та HAZ підтверджують, що з’єднання відповідає NACE. Для зварних швів трубопроводів або потокових ліній обов’язковим є кваліфікований WPS відповідно до розділу IX ASME з прийняттям NACE, а протокол кваліфікації процедури зварювання (WPQR) має документувати результати твердості.

Таблиця 6. Параметри робочого зварювання C276 Sour-

Джерело: Розділ IX ASME; NACE MR0175; Посібник зі зварювання Haynes C276 H-2002.

Практичний приклад: Вихідний трубопровід кислого газу - 316L. Помилка замінена на C276

Трубопровід кислих газів, спочатку зазначений у 316L, вийшов з ладу внаслідок корозійного розтріскування під напругою хлориду після 14 місяців у теплій роботі з високим вмістом-хлориду та високим вмістом-H2S; заміна пошкодженої котушки на сплав Hastelloy C276 (UNS N10276) усунула несправність SCC і працювала без проблем понад 9 років.

На родовищі було отримано вологий кислий газ із приблизно 3-5 відсотками H2S, 8-10 відсотками CO2 та 30 000–60 000 частин на мільйон хлоридів у видобутій воді при температурі лінії потоку приблизно 75–90 градусів C. Оригінальна золотниця 316L, хоча й у межах екологічного ліміту NACE MR0175 на папері, вийшла з ладу через міжзернистий хлорид SCC. у зоні термічного впливу зварного шва лише через 14 місяців, що спричинило стримований, але дорогий витік і зупинку. Металургійне дослідження підтвердило походження класичного Cl-SCC з ями.

Оператор повторно-вказав котушку-схильну до збоїв (і кілька подібних місць) у C276 (UNS N10276), розчин-відпалений, із заповнювачем для зварювання ERNiCrMo-10 і повністю відповідним NACE-виготовленням. З моменту встановлення котушки C276 накопичили понад 9 років служби без SCC, витоків і швидкості корозії нижче 0,05 мм/рік за ультразвуковим моніторингом. Надбавка за матеріал (C276 приблизно в 12-16 разів перевищує вартість 316 л за кг) була виправдана уникненням повторних зупинок і ризику для безпеки від викиду кислого газу.

Джерело: звіт про розслідування збою оператора (анонімне); JN Alloy sour-архів справ про обслуговування.

Як C276 кваліфікується та перевіряється для роботи з кислотою?

Сервісна кваліфікація C276 sour- базується на підтвердженні стану матеріалу NACE MR0175 (розчин-відпалений, < 35 HRC, < 20 відсотків холодної роботи) плюс стандартну кваліфікацію зварного шва відповідно до розділу IX ASME, що підтверджується PMI, тестуванням на твердість і НК; офіційне тестування SSC відповідно до NACE TM0177 є необов’язковим, але його можна зажадати для критичного обслуговування.

Оскільки C276 уже внесено до списку кваліфікованих CRA, більшість проектів не -повторно проводять лабораторні тести SSC (NACE TM0177, метод A/B), якщо цього не вимагає специфікація закупівлі. Звичайний шлях кваліфікації: (1) сертифікат заводу (EN 10204 3.1/3.2), що підтверджує хімічний склад UNS N10276 і стан розчину-відпалу; (2) випробування на твердість, що підтверджує менше 35 HRC на основі та зварному шві; (3) PMI, що підтверджує правильний сплав на кожній довжині та на наплавленому шві; (4) WPS/WPQ відповідно до розділу IX ASME; (5) NDT (PT, RT/UT) відповідно до керівного коду.

Для роботи з критичним або високим -H2S (наприклад, клас 3) покупець може вимагати тестовий купон TM0177 SSC, який підтверджує відсутність тріщин після 720 годин під навантаженням у стандартному розчині H2S - C276 легко проходить це. Пакет документації стає доказом відповідності NACE MR0175 для файлу обладнання.

Таблиця 7. Кваліфікація та перевірка послуг Sour-

Джерело: NACE MR0175; NACE TM0177; ASME Розділ IX / VIII; виготовлення планів контролю якості.

Часті запитання: C276 і кислий газ

Питання: Чи схвалено Hastelloy C276 для використання в кислих продуктах NACE MR0175?

A: Так. UNS N10276 (Hastelloy C276) зазначено як прийнятний корозійно-{3}}стійкий сплав (CRA) у NACE MR0175 / ISO 15156, частина 3 для використання в кислих умовах у розчині-відпаленому стані. Він не має межі розтріскування в навколишньому середовищі (SSC/SOHIC), пов’язаного з парціальним тиском H2S, оскільки він є внутрішньостійким. Відповідність вимагає твердості нижче 35 HRC і холодної обробки нижче 20 відсотків без термічної обробки після-зварювання в діапазоні 600-1150 градусів C.

З: Чому C276 протистоїть сульфідному розтріскуванню під напругою, тоді як нержавіюча сталь цього не робить?

Відповідь: Високий вміст нікелю в C276 (близько 57 відсотків) робить його матрицю стійкою як до хлоридного корозійного розтріскування, так і до воднево-індукованого сульфідного розтріскування (SSC). Аустенітні нержавіючі сталі, такі як 316L, тріскаються під дією хлориду SCC вище приблизно 60 градусів C і можуть стати крихкими під час роботи в кислоті, тоді як однофазний твердий розчин нікелю C276 не підтримує ці механізми. У польових умовах C276 усуває режим відмови SCC, а не просто підвищує порогове значення.

З: Чи можна використовувати C276 у високо-H2S, високо-хлоридному кислому газі?

A: Так. C276 спеціально підходить для найагресивніших кислих, хлорованих, відновлювальних середовищ - високий парціальний тиск H2S, вода з високим вмістом хлоридів і низький рН -, де 316L, 904L і навіть сплав 825 будуть обмежені або непридатні. Його PREN приблизно 68 і високий вміст молібдену забезпечують стійкість до хлоридів і імунітет до SSC. Робоча межа встановлюється загальною корозією (приблизно до 190-230 градусів C у вологому кислому режимі), а не розтріскуванням у середовищі.

З: Чи потребує C276 термічна обробка-після зварювання для кислої роботи?

A: Ні. C276 НЕ слід піддавати -термічній обробці після зварювання в діапазоні 600-1150 градусів C, оскільки це призведе до окрихчення інтерметалічних осадів. -Зварні умови вже є оптимальними для стійкості до корозії та SCC, а NACE MR0175 допускає зварні з’єднання. Єдина вимога полягає в тому, щоб перевірити твердість зварного шару нижче 35 HRC і використовувати зварювання, сумісне з NACE (наповнювач ERNiCrMo-4/10, продувка аргоном, контрольоване підведення тепла).

З: Як C276 порівнюється з Inconel 625 для кислого газу?

A: Обидва є відмінними CRA для кислого обслуговування. C276 (PREN близько 68, вищий молібден) є кращим у середовищах із високим вмістом-хлориду, -H2S кислоти, тоді як Inconel 625 (PREN близько 51) чудово справляється з окисленням-хлориду та морської води-як кислий, і забезпечує вищу міцність. C276 є еталоном для зменшення-кислотних-потоків кислих речовин; 625 часто вибирають там, де пріоритетом є вища механічна міцність або стійкість до окислення хлоридів.

Питання: яка надбавка до вартості використання C276 замість 316L у кислих продуктах?

A: C276 коштує приблизно в 12-16 разів більше за кілограм, ніж нержавіюча сталь 316L. Однак у кислих і хлорованих умовах, коли 316L виходить з ладу через хлорид SCC протягом 1-2 років, C276 забезпечує 20-30-річний термін служби, усуваючи відключення, ризик витоку та повторну заміну. Аналіз вартості життєвого циклу зазвичай надає перевагу C276 для критичних кислих зон, а нижчі сплави резервуються для некритичних частин системи.