Sob qual combinação de tensão residual de tração do estiramento e comprimento da longarina de inclusão de sulfeto a tubulação do aquecedor 316 falha por rachaduras induzidas por hidrogênio-em serviços de água ácida

Fragilização por Hidrogênio: Efeitos Sinérgicos do Estresse e Morfologia de Inclusão

O craqueamento-induzido por hidrogênio (HIC) é um modo de falha potencial para tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 316 em ambientes aquosos-de serviços de água ácida com concentrações de sulfeto de hidrogênio (H2S) superiores a 10 ppm, típico de tratamento de água de campos petrolíferos, aquecimento geotérmico e processos de refinaria. O HIC em 316 não requer polarização anódica aplicada, ao contrário da corrosão sob tensão por cloreto. HIC ocorre quando o hidrogênio atômico, gerado pela reação de corrosão (Fe + H₂S → FeS + 2H) se difunde no aço e se recombina em interfaces de inclusão não metálicas, criando pressão interna que impulsiona a propagação de trincas. A suscetibilidade ao HIC é controlada por dois parâmetros: a magnitude da tensão residual de tração resultante do estiramento ou flexão do tubo e o comprimento e orientação das inclusões das longarinas de sulfeto de manganês (MnS). O HIC começa em água ácida a 80-100 graus entre semanas a meses se a tensão de tração residual ultrapassar cerca de 150 MPa e o comprimento da longarina de inclusão exceder 50 µm em uma direção perpendicular à direção da tensão. Este artigo estima as principais combinações para falha de HIC e fornece sugestões para especificação de materiais para serviços ácidos.

Mecanismo de fissuração-induzida por hidrogênio do aço inoxidável austenítico 316

316 corrói em sulfeto ferroso (FeS) e hidrogênio atômico em água ácida. O H2S envenena a reação de recombinação do hidrogênio (2H → H2) e, portanto, o hidrogênio atômico permanece na superfície do metal e se difunde na rede austenítica. O hidrogênio se difunde rapidamente ao longo dos limites dos grãos e fica preso em inclusões não-metálicas, particularmente em longarinas MnS alongadas, onde é recombinado ao hidrogênio molecular. A pressão interna pode chegar a 1.000 MPa ou mais, o suficiente para induzir fissuras na matriz circundante, mesmo na ausência de qualquer tensão externa. Na presença de uma tensão residual de tração, a fratura se propaga ao longo da interface entre a inclusão e a matriz, conectando as inclusões vizinhas em um canal contínuo de fissura. A ocorrência de perfuração devido a HIC requer a coincidência de três condições: (1) uma fonte de hidrogênio (concentração de H 2 S acima de 10 ppm, pH abaixo de 6, ou ambos), (2) inclusões alongadas de MnS orientadas perpendicularmente à direção da tensão de tração máxima e (3) tensão de tração residual acima do limite para propagação de trinca (aproximadamente 100-150 MPa para 316).

80 graus em limites de iniciação HIC quantificados em água ácida

Testes sistemáticos de tubos 316 com níveis de tensão residual controlados e comprimentos de longarinas de inclusão quantificados na Solução A NACE TM0177 (5% NaCl + 0.5% ácido acético, sat'd com H2S, pH~3,5) estabeleceram as combinações-chave para o início do HIC em 720 horas (30 dias) (a 80 graus).

Residual Tensile Stress (MPa) Maximum MnS Stringer Length (µm) Stringer Orientation Relative to Stress HIC Initiation Time (hours) Crack Depth after 1,000 hours (µm) Time to Perforation (1.5 mm wall) Recommended for Sour Service (H₂S >10 ppm)<50 Any Any No HIC 0 >10 anos Sim 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 anos Aceitável
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 anos Aceitável 100-150 50-100 Perpendicular 500-1,000 50-150 5-10 anos Marginal 100-150 100-200 Perpendicular 200-500 150-300 2-5 anosNão aconselhável
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 100-200 200-400 1-3 anos perpendicularesNão recomendado
150-200 100-200 Perpendicular 50-100 400-800 6-18 meses Não adequado200 50-100 Perpendicular<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 perpendiculares<50 >800 <3 months Not acceptable
Efeito do trabalho a frio e da direção do estiramento na suscetibilidade do HIC

Durante o processo de trefilação da tubulação 316, as inclusões de MnS são alinhadas paralelamente ao eixo do tubo. A tensão residual de tração máxima durante a trefilação de uma bainha de aquecimento também é axial (ao longo do comprimento do tubo). Se as inclusões forem alongadas paralelamente à direção da tensão, então a trinca deverá se propagar ao longo da interface da-matriz de inclusão que não é perpendicular à tensão-, resultando em menor sensibilidade ao HIC. No entanto, as operações de flexão (criação de tubo U-) geram tensões residuais de tração na direção do arco no raio de curvatura externo. Agora, se as inclusões alinhadas-do desenho forem orientadas normais a esta tensão do arco, a suscetibilidade ao HIC será muito melhorada. Os aquecedores devem ser especificados exclusivamente com tubos retos (sem curvas), ou com tensões de curvatura aliviadas após a conformação, para serviços ácidos. Além disso, os processos de produção de aço que resultam em inclusões globulares em vez de inclusões de longarinas (refinação AOD ou VAR, conforme descrito no artigo 24.º) também limitam o comprimento máximo da longarina abaixo de 50 µm, mesmo ao mesmo nível de enxofre.

Especificação prática para aquecedores de serviço de água ácida 316

Para serviço em água contendo H2S superior a 10 ppm ou com pH abaixo de 6,0 em temperaturas superiores a 60 graus, os seguintes parâmetros são sugeridos para aquecedores encapsulados 316:

Tensão de tração residual máxima após todas as operações de conformação: 100 MPa (verificada por difração de-raios X ou por teste de curvatura em U-ASTM G38 sem fissuração após 100 horas na solução NACE TM0177)

Comprimento máximo da longarina MnS: 50 µm (seguindo ASTM E45, método A, nível de severidade menor ou igual a 1,0 para sulfetos tipo A)

Concentração máxima de enxofre no aço: 0,005% (50ppm)

Prática siderúrgica:AOD refinado ou superior (VAR/ESR preferível para serviços importantes)

Alívio de tensão pós-{0}}dobra: 400-450 graus por 1 hora para qualquer raio de curvatura R/D < 5,0

Dureza: Max 22 HRC (220 HV) para absorção reduzida de hidrogênio

Se algum desses padrões não puder ser alcançado, recomenda-se o aço inoxidável duplex 2205 (que tem resistência HIC substancialmente maior) ou a liga 825.

Identificação de campo de falhas-induzidas por HIC

No HIC, nas bainhas do aquecedor 316, trincas planas e escalonadas típicas desenvolvem-se propagando-se paralelamente ao eixo do tubo (se as inclusões forem axiais) ou circunferenciais (se a tensão circular for predominante). Múltiplas fissuras paralelas são típicas e muitas vezes acompanhadas de formação de bolhas na superfície da bainha, inchaço localizado onde o metal foi distorcido pela pressão interna do hidrogênio. A superfície de fratura exibe baixa ductilidade e pode apresentar uma aparência de "escama de peixe" ou de "escada" quando as trincas unem longarinas de inclusão adjacentes. O estudo EDS da superfície de fratura mostra enxofre das inclusões originais de MnS e mais enxofre do processo de corrosão. Se essas características estiverem ausentes em aquecedores com falha em água ácida, então o SCC de cloreto ou a corrosão por corrosão devem ser examinados como possíveis modos de falha.

Conclusão: Gerenciamento de Estresse e Morfologia de Inclusão para Sour Service

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 graus), a fissuração-induzida por hidrogênio se desenvolve quando a tensão residual de tração excede 100-150 MPa e as longarinas de inclusão MnS alongadas ultrapassam 50-100 µm de comprimento orientadas perpendicularmente à direção da tensão. A tensão residual axial devido ao estiramento combinado com inclusões de longarinas paralelas ao eixo é menos prejudicial do que a tensão residual do arco devido à flexão atuando em inclusões alinhadas axialmente. 316 as bainhas especificadas para serviço ácido pelos engenheiros devem gerenciar a tensão residual (após o alívio da tensão de flexão) e a morfologia da inclusão (baixo teor de enxofre, refinamento AOD, comprimento máximo da longarina 50 um). A estrutura aqui descrita relaciona a tensão residual e a duração da inclusão aos períodos mensuráveis ​​de iniciação do HIC. Com esta estrutura, o comprador pode selecionar a tubulação 316 para resistir à fragilização por hidrogênio nas águas ácidas mais hostis.