Hidrogén{0}}repedés a duplex rozsdamentes acélban: a tenger alatti szolgáltatással

Hidrogén{0}}repedés a duplex rozsdamentes acélban: a tenger alatti szolgáltatással

A duplex és a szuperduplex rozsdamentes acélok a tenger alatti elosztók igáslóanyagai, amelyek az orsókban, csatlakozókban és csőorsókban{0}}kötődnek, mert a nagy szilárdság és a kloridos lyukkorrózióval szembeni kiváló ellenálló képesség ötvöződik. Ugyanez a tenger alatti környezet azonban bevezet egy meghibásodási módot, amely nem ugyanolyan hatással van a közönséges ausztenites minőségekre: a hidrogén-feszültség okozta repedést vagy a HISC-t. Ez a cikk elmagyarázza, miért fordul elő a HISC, mely duplex minőségek és alkatrészgeometriák vannak leginkább kitéve, milyen tervezési szabványok vonatkoznak rájuk, és hogyan határozhatnak meg a beszerzési csoportok az olyan anyagokat, amelyek ellenállnak ennek a használat során.

Mi az a hidrogén{0}}feszültség okozta repedés a duplex rozsdamentes acélban?

A HISC egy késleltetett, rideg repedési mechanizmus, amelyben a katódos védelem által generált atomos hidrogén a duplex rozsdamentes acél ferritfázisába diffundál, és hosszan tartó húzófeszültség hatására rideggé válik, amíg a repedés meg nem jelenik, és figyelmeztetés nélkül továbbterjed.

A duplex rozsdamentes acél két-fázisú, nagyjából 50/50 mikroszerkezetű test-központú köbös (BCC) ferrit és homlok-központú köbös (FCC) ausztenit. Amikor egy komponens katódos potenciálra polarizálódik, a fémfelületen a hidrogénfejlődési reakció atomos hidrogént termel. Mivel a BCC ferritnek sokkal nagyobb a hidrogén diffúzivitása és kisebb a hidrogén oldhatósága, mint az FCC ausztenitnek, a hidrogén a ferrit fázisban koncentrálódik és csökkenti annak alakíthatóságát.

Amint a bemetszésnél, a hegesztési varratnál vagy a geometriai szakadásnál a helyi feszültség túllép egy kritikus küszöböt, a rideg ferritben repedés keletkezik, és gyorsan továbbterjed, jellemzően ott áll meg, ahol az ausztenitszemcse határvonallal találkozik, mielőtt a következő ferritútra ugorna. Az eredmény egy törékenynek tűnő törésfelület egy általában képlékeny anyagban, - ezt a jelet a kutatók használják a HISC-nek a fáradástól vagy a mechanikai túlterheléstől való megkülönböztetésére.

Miért vannak a duplex minőségek egyedülállóan sebezhetőek az ausztenites rozsdamentes acélhoz képest?

Ugyanaz a kettős{0}}fázisú mikrostruktúra, amely a duplex rozsdamentes acél szilárdságát és lyukállóság-előnyét adja az ausztenites minőségekhez, például a 316L-hez képest, szintén a HISC-érzékenységének forrása.

Az egyfázisú ausztenites rozsdamentes acélok, mint például a 316L, nagymértékben oldódnak a hidrogénben és alacsony a hidrogén diffúziós képessége, így a hidrogén hajlamos feloldva és diszpergálva maradni, nem pedig az érzékeny helyeken koncentrálódni. A duplex minőségeket kifejezetten a tenger alatt fogadták el, mert nagyobb folyáshatáruk vékonyabb -falú, könnyebb komponenseket tesz lehetővé, mint az ausztenites alternatívák, valamint mert magasabb króm- és molibdéntartalmuk, amelyet a

Pitting Resistance Equivalent Number (PREN), ellenáll a helyi korróziónak anélkül, hogy önmagában katódos védelmet igényelne. A gyakorlatban azonban a tenger alatti duplex alkatrészeket elektromosan kötik szénacél szerkezetekhez - elosztóvezetékekhez, jumperekhez és szerkezeti acélokhoz -, amelyekhez CP szükséges. Ez a kötés polarizálja a duplex komponenst a szénacéllal együtt, és bevezeti azt a hidrogénforrást, amelyre a ferritfázis érzékeny.

Okoz-e a katódos védelem HISC-t, és egyszerűen eltávolítható?

A katódos védelem a tenger alatti HISC elsődleges hidrogénforrása, de eltávolítása nem működőképes megoldás, mivel a duplex alkatrészek elektromosan kötődnek a CP-védett szénacélhoz, és egyébként korrodálnának.

A HISC bármely olyan potenciálon előfordulhat, amely negatívabb, mint a hidrogénfejlődési reakció reverzibilis potenciálja, amely megközelítőleg -0,73 V, szemben a telített kalomelelektródával (SCE) tengervíz pH-n. A tipikus tenger alatti CP rendszerek duplex rozsdamentes acél célvédelmi potenciálja -0,60 V (Ag/AgCl) körüli, de a galvanikus csatolás az áldozati anódokhoz vagy a szénacélhoz tervezett nyomott áramú rendszerekhez általában negatívabbra vezeti a tényleges potenciált, bizonyos dokumentált esetekben -1,0 V SCE felé vagy tovább.

Minél negatívabb a potenciál, annál nagyobb a hidrogén töltési sebessége. Mivel a duplex alkatrészeket nem lehet elektromosan elszigetelni a CP-védett szerkezetektől, amelyekhez csatlakoznak anélkül, hogy más korróziós kockázatot jelentene, a HISC elkerülését tervezési és anyagválasztási-problémaként, nem pedig CP-rendszerproblémaként kezeljük.

Standard Duplex vs. Super Duplex: melyik fokozat kínál jobb HISC-ellenállást?

A magasabb ötvözettartalom nem jelent automatikusan nagyobb HISC ellenállást. A szuperduplex minőségek nagyobb folyáshatáruk miatt nagyobb tervezési feszültséget hordoznak, ami ellensúlyozhatja mikroszerkezetük metallurgiai előnyeit, és ugyanolyan szigorú feszültségszabályozást igényel.

Az alábbi táblázat összehasonlítja a két, leggyakrabban a tenger alatti szolgáltatáshoz meghatározott duplex családot. A PREN értékek a %Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N szabványos képletet használják.

1. táblázat: A tenger alatti szolgáltatásokhoz általánosan szállított szabványos duplex és szuperduplex rozsdamentes acélminőségek összehasonlító HISC{1}}tulajdonságai.

Források: ASTM A182/A240/A479 kémiai és mechanikai tulajdonságok; Alleima SAF 2507 műszaki adatok; NORSOK M-650 minősítő irodalom.

Milyen tervezési szabványok szabályozzák a HISC elkerülését a tenger alatti duplex alkatrészekben?

A DNV-RP-F112 a tenger alatti duplex rozsdamentes acél HISC elkerülésének nemzetközileg elismert tervezési szabványa, amelyet a NORSOK M-001, NORSOK M-650 és NACE MR0175/ISO 15156 szabványokkal együtt alkalmaznak a kezelőtől és a területtől függően.

2. táblázat: A tenger alatti duplex rozsdamentes acél HISC tervezésére és anyagminősítésére gyakran együtt hivatkozott szabványok.

Milyen stresszküszöbök akadályozzák meg a HISC-t a duplex rozsdamentes acélban?

Nincs egyetlen univerzális feszültséghatár; A DNV-RP-F112 a megengedett tervezési feszültséget az alkatrészkategória, a terhelés típusa és az ellenőrzött mikrostruktúra függvényében állítja be, és a független laboratóriumi adatok azt mutatják, hogy az elérhető határ nagymértékben függ attól, hogy a gyártási útvonal mennyire szabályozza az ausztenit távolságot.

A DNV-RP-F112 a tenger alatti duplex komponenseket terhelési kategóriákra osztja, és mindegyikhez feszültség- és alakváltozás-tervezési kritériumokat rendel hozzá a folyáshatár egyetlen százalékos százaléka helyett. Az érintett érzékenység általános szemléltetéseként a harmadik fél által közzétett tesztek azt mutatták be, hogy a hidegen-hígított és oldat-hevített duplex cső 5-15 mikrométeres finom ausztenittávolsággal elviseli a tartós feszültséget a folyáshatár durván 130 százalékáig terjedő folyáshatárig, míg a HISC-t széles mikroszerkezettel ellenőrzött tesztkörülmények között. jelentősen alacsonyabb küszöbök.

A forrásban lévő magnézium-kloridban az ASTM G36 szerint végzett állandó-terhelési tesztek feszültségkorróziós repedési küszöbértékeket mutattak ki a szilárdság 50 százaléka körül mind az alapfém, mind a 2507-es szuperduplex osztályú hegesztett kötéseknél. Ezek az ábrák azt szemléltetik, hogy a DNV-RP-F112 miért tekinti az anyagállapotok ellenőrzött számítási korlátait, semmint a tervezési feltételekhez igazított feszültséghatárokat. rögzített iparági szám, és miért van szükség minden tenger alatti alkalmazáshoz alkatrész-specifikus műszaki elemzés, nem pedig hüvelykujjszabály.

Hogyan szabályozza a mikrostruktúra a HISC-rezisztenciát?

A finom, egyenletes ausztenit távolság és a kiegyensúlyozott ferritfrakció, jellemzően 35-55 százalékos ferrit, a HISC-ellenállás elsődleges mikroszerkezeti karjai, és mindkettőt kovácsolással vagy csőalakítással, oldatos izzítással és hűtési sebességgel szabályozzák.

Mivel a HISC-repedések a ferritfázison keresztül terjednek, és a ferrit-ausztenit határain megállnak, a szorosan és egyenletesen elhelyezkedő ausztenitszigetekkel rendelkező mikrostruktúra korlátozza, hogy a repedés milyen messzire tud elhaladni, mielőtt megakadályozná, növelve az effektív küszöbfeszültséget. A DNV-RP-F112 körülbelül 30 mikrométer alatti ausztenittávolságot javasol. A durva-szemcsés kovácsolások, különösen a vastag-szelvényű alkatrészek, amelyek megfelelő redukció nélkül szilárdultak meg vagy kovácsoltak, hajlamosak szélesebb ausztenittávolságra és ennek megfelelően alacsonyabb HISC-ellenállásra.

Ez az oka annak, hogy a gyártási út ugyanolyan fontos, mint a kémia: a forró izosztatikus préselés (HIP) és a finom, homogén szemcseszerkezetet elősegítő fejlett kovácsolási eljárások bizonyítottan javítják az alacsony hőmérsékletű szívósságot és a HISC ellenállást az azonos névleges minőségű hagyományos kovácsoláshoz képest.

A külső bevonat megszünteti a HISC kockázatot?

Nem. A bevonat csökkenti a CP-áramnak kitett területet, de nem szünteti meg a HISC kockázatát, mivel feltételezhetően a bevonat károsodása, elszakadások és terepi illesztések fordulnak elő az élettartam során, és a tervezésnek figyelembe kell vennie az esetleges csupasz{1}}fém expozíciót.

A fúziós -kötésű epoxi és más bevonatrendszerek bevett gyakorlat a tenger alatti duplex alkatrészeken, és jelentősen csökkentik a hidrogén töltési sebességét a közvetlenül CP hatásának kitett csupasz fémekhez képest. A bevonatot azonban enyhítő eszközként kezelik, nem pedig a feszültségszabályozás tervezési helyettesítőjeként.

A DNV-RP-F112 és a NORSOK útmutatás egyaránt azt feltételezi, hogy a bevonat integritása bizonyos helyeken romlik a terepi élettartam során - telepítési sérülés, kopás vagy leválás - következtében, és megköveteli, hogy a mögöttes feszültség és anyagminősítés továbbra is megfeleljen a HISC elfogadási kritériumainak, mintha a CP-expozíció közvetlen lenne. A feszültség és a mikrostruktúra ellenőrzése nélkül önmagában a bevonatra hagyatkozást több dokumentált tenger alatti meghibásodásban szerepet játszó tényezőként azonosították.

Mikor kell a nikkelötvözetekkel lecserélni a duplex rozsdamentes acélt a HISC-kritikus tenger alatti szolgáltatásoknál?

Az egyfázisú ausztenites nikkelötvözetek, mint például az Inconel 625 (UNS N06625) nagyrészt immunisak a CP-vezérelt HISC-re, mivel hiányzik belőlük a ferritfázis, amely érzékenysé teszi a duplex acélt, így ezek az előnyben részesített frissítések a legnagyobb-következményekkel rendelkező alkatrészek, csatlakozók és csatlakozók számára megbízhatóan a duplex HISC küszöbértékek alatt tartják.

3. táblázat: Kiválasztási szempontok a duplex rozsdamentes acél és a 625 nikkelötvözet között a HISC-kritikus tenger alatti alkalmazásokban.

A tulajdonságok teljes összehasonlításához tekintse meg az EETA Inconel 625 anyagútmutatóját, amely részletesebben lefedi ennek a minőségnek a kémiai összetételét, korrózióállóságát és offshore alkalmazási adatait.

Mit tanítanak nekünk a dokumentált tenger alatti HISC-hibák?

Minden jól dokumentált tenger alatti HISC hiba ugyanarra a három körülményre vezethető vissza, amelyek együttesen fordulnak elő: érzékeny mikroszerkezet, hidrogéntöltés a katódos védelemből, valamint az anyag küszöbértékén vagy a feletti alkalmazott vagy maradék feszültség -, ezért a tervezési szabványok ma már mindhárom tényezőt együttesen, nem pedig külön-külön kezelik.

Az első széles körben jelentett HISC-hiba a Foinaven tenger alatti hub csatlakozója volt az Északi-tengeren 1996-ban, majd az orsótörésben bekövetkezett kötések{1}}a Scott és Britannia mezőkön. Ezek az incidensek, amelyek az -1,0 V SCE körüli potenciálokhoz polarizált eszközökön következtek be, a TWI, a DNV és a Sintef közös iparági projektjeihez vezettek, amelyek megteremtették a DNV-RP-F112 műszaki alapját. A meghibásodott szuperduplex (UNS S32760) tenger alatti csatlakozókkal kapcsolatos újabb gyökér-ok vizsgálatai továbbra is ugyanarra a kombinációra utalnak: törékeny törésfelületek, a CP-expozíciónak megfelelő meszes lerakódások, és a feszültségkoncentráció megcsúszott, vastagabb{10}}vékonyabb szakaszra való átmenetnél. A NORSOK saját meghibásodási előzményei nagyjából nyolc dokumentált, HISC-nek tulajdonított duplex szerkezeti hibáról számoltak be, amelyek többsége olyan kötőelemeket és orsókat tartalmazott, ahol magas ferrittartalom, bevonatkárosodás vagy helyi feszültségkoncentráció volt jelen.

Hogyan csökkenteniük kell a beszerzési csoportoknak a HISC kockázatát a duplex alkatrészek beszerzésekor?

A HISC-kockázat a legjobban a beszerzési szakaszban szabályozható, ha a beszerzési specifikációban megadja a mikroszerkezetre és a gyártási útvonalra vonatkozó követelményeket, nem csak a kémiai és mechanikai tulajdonságokat, és megköveteli a DNV{0}}RP-F112 és NORSOK M-650 szabványoknak való dokumentált megfelelést.

A tenger alatti duplex beszerzés gyakorlati specifikációs pontjai a következők:

Hivatkozás a DNV-RP-F112-re kifejezetten a beszerzési megrendelésben, és megköveteli a szállító feszültség- és alakváltozási tervezési dokumentációját az alkatrészkategóriához.

Adjon meg egy maximális ausztenittávolságot (általában 30 mikrométer vagy annál szűkebb) és egy ferrittartalom-tartományt, és kérjen metallográfiai bizonyítékot az anyagvizsgálati jelentésben.

A tenger alatti szolgáltatásra szánt kovácsolt vagy öntött duplex alkatrészekhez NORSOK M-650 gyártó és gyártási módszer szerinti minősítés szükséges.

Erősítse meg a kovácsolási vagy cső-formázási utat (például forró izosztatikus préselés vagy fejlett kovácsolási eljárás), ahol alacsony hőmérsékletű szívósság és finomszemcsés szerkezet egyaránt szükséges.

Ellenőrizze a bevonat specifikációit és az ellenőrzési követelményeket, miközben megbizonyosodik arról, hogy az alatta lévő anyag továbbra is megfelel a HISC feszültségi kritériumainak.

Kérjen pozitív anyagazonosítót (PMI) és teljes EN 10204 3.1 vagy 3.2-es dokumentációt, amely a hő- és kovácsolási tételre vezethető vissza.

Gyakran Ismételt Kérdések

Q: A duplex rozsdamentes acél nem alkalmas tenger alatti használatra a HISC kockázata miatt?

A: Nem. A duplex és szuperduplex rozsdamentes acélokat továbbra is széles körben és sikeresen használják a tenger alatt; a hetvenes évek óta több százezer kilométernyi duplex csövet szereltek be katódos védelemmel. A HISC egy kezelhető tervezési korlát, nem ok az anyagcsalád elkerülésére.

Q: Növeli-e a hegesztés a HISC-érzékenységet?

A: Igen, a hegesztési varratok és a hőhatás{0}}zónái gyakori HISC-kezdési helyek, mivel a hegesztés lokálisan eldurvíthatja a mikrostruktúrát, maradék feszültséget hozhat létre, és geometriai feszültségkoncentrációkat hozhat létre a hegesztési lábfejnél. A hegesztett kötéseket a fém alapanyagtól elkülönítve értékelik a HISC tervezési értékelései során.

Q: Érzékelhető a HISC, mielőtt egy komponens szervizelése meghibásodik?

A: A HISC egy késleltetett, gyakran gyors rideg meghibásodás, korlátozott látható figyelmeztetéssel, ezért az iparági megközelítés a repedés feltételeinek megelőzését helyezi előtérbe a tervezésen és az anyagszabályozáson keresztül, nem pedig az üzem közbeni ellenőrzésre hagyatkozva, hogy korai észlelni lehessen.

Q: A HISC ugyanaz a jelenség, mint a hidrogén ridegség a szénben vagy az alacsony{0}}ötvözött acélban?

A: Ugyanaz a kiváltó okuk: az atomos hidrogén rideggé tesz egy érzékeny mikrostruktúrát, de a duplex rozsdamentes acél HISC-je kifejezetten a katódos védelem alatt álló két-fázisú mikrostruktúra ferritfázisába történő felosztásra vonatkozik, míg a szén és az alacsony-ötvözött acél hidrogén ridegsége egyetlen mátrixú{{2} mechanikával és mechanikával.