Dėl vandenilio{0}}dvipusio nerūdijančio plieno įtrūkimų: povandeninio aptarnavimo aspektai

Dėl vandenilio{0}}dvipusio nerūdijančio plieno įtrūkimų: povandeninio aptarnavimo aspektai

Dvipusis ir itin dvipusis nerūdijantis plienas yra pagrindinė medžiaga povandeniniams kolektoriams, jungiamiems-ritėse, jungtyse ir vamzdžių ritėse, nes jie pasižymi dideliu stiprumu ir puikiu atsparumu chloro duobėms ir plyšių korozijai. Tačiau ta pati povandeninė aplinka įveda gedimo režimą, kuris įprastoms austenitinėms klasėms nepaveikia vienodai: vandenilio -sukeltas įtempių krekingas arba HISC. Šiame straipsnyje paaiškinama, kodėl atsiranda HISC, kurios dvipusės klasės ir komponentų geometrijos yra labiausiai matomos, kokie projektavimo standartai taikomi ir kaip pirkimo komandos gali nurodyti medžiagą, kuri jai atspari.

Kas yra dvipusio nerūdijančio plieno{0}}skilimas dėl vandenilio?

HISC yra uždelstas, trapus krekingo mechanizmas, kuriame atominis vandenilis, sukurtas naudojant katodinę apsaugą, difunduoja į dvipusio nerūdijančio plieno ferito fazę, trapią jį veikiant nuolatiniam tempimo įtempimui, kol prasideda įtrūkimas ir plinta be įspėjimo.

Dvipusis nerūdijantis plienas turi dviejų -fazių, maždaug 50/50 mikrostruktūrą, sudarytą iš korpuso-centrinio kubinio (BCC) ferito ir į paviršių{4}}centruoto kubinio (FCC) austenito. Kai komponentas yra poliarizuotas iki katodinio potencialo, vandenilio išsiskyrimo reakcija metalo paviršiuje gamina atominį vandenilį. Kadangi BCC feritas turi daug didesnį vandenilio difuziškumą ir mažesnį vandenilio tirpumą nei FCC austenitas, vandenilis koncentruojasi ferito fazėje ir sumažina jo lankstumą.

Kai vietinis įtempis ties įpjova, suvirinimo pirštas ar geometrinis nepertraukiamumas viršija kritinę ribą, trapiame ferite prasideda įtrūkimas ir greitai plinta, paprastai sustabdomas ten, kur susitinka austenito grūdelių ribą, prieš pereinant prie kito ferito kelio. Rezultatas yra trapus-atrodantis lūžio paviršius medžiagoje, kuri paprastai yra plastiška -, kurią tyrėjai naudoja norėdami atskirti HISC nuo nuovargio ar mechaninės perkrovos.

Kodėl dvipusės klasės yra išskirtinai pažeidžiamos, palyginti su austenitiniu nerūdijančiu plienu?

Ta pati dviguba{0}}fazė mikrostruktūra, suteikianti dvipusio nerūdijančio plieno stiprumo ir atsparumo įdubimams pranašumą, palyginti su austenitinėmis klasėmis, tokiomis kaip 316L, taip pat yra jo HISC jautrumo šaltinis.

Vienfazis -austenitinis nerūdijantis plienas, pvz., 316L, pasižymi dideliu vandenilio tirpumu ir mažu vandenilio difuziškumu, todėl vandenilis paprastai lieka ištirpęs ir išsisklaidęs, o ne koncentruojasi jautriose vietose. Dvipusės klasės buvo pritaikytos povandeniniam vandeniui, nes dėl jų didesnės takumo ribos yra plonesnių -sienių, lengvesnių komponentų nei austenitinės alternatyvos, ir dėl to, kad juose didesnis chromo ir molibdeno kiekis, išreikštas

Atsparumo taškams lygiavertis skaičius (PREN), atsparus vietinei korozijai, nereikalaujant katodinės apsaugos. Tačiau praktikoje povandeniniai dvipusiai komponentai yra elektriškai sujungti su anglinio plieno konstrukcijų - kolektoriais, trumpikliais ir konstrukciniu plienu -, kuriems reikalingas CP. Šis sujungimas poliarizuoja dvipusį komponentą kartu su anglies plienu, įvesdamas vandenilio šaltinį, kuriam jo ferito fazė yra pažeidžiama.

Ar katodinė apsauga sukelia HISC ir ar ją galima tiesiog pašalinti?

Katodinė apsauga yra pagrindinis vandenilio šaltinis povandeniniam HISC, tačiau jo pašalinimas nėra tinkamas sprendimas, nes dvipusiai komponentai lieka elektra sujungti su CP-apsaugotu angliniu plienu ir kitu atveju galėtų surūdyti.

HISC gali atsirasti esant bet kokiam potencialui, kuris yra neigiamas nei grįžtamasis vandenilio išsiskyrimo reakcijos potencialas, kuris yra maždaug -0,73 V, palyginti su prisotintu kalomelio elektrodu (SCE), esant jūros vandens pH. Įprastos povandeninės CP sistemos, skirtos dvipusio nerūdijančio plieno taikinio apsaugos potencialui apie –0,60 V (Ag/AgCl), tačiau galvaninis sujungimas su atšaunamaisiais anodais arba stiprios srovės sistemomis, sukurtomis angliniam plienui, faktinis potencialas paprastai yra neigiamas, kai kuriais dokumentais nustatytais atvejais – iki –1,0 V SCE arba daugiau.

Kuo neigiamas potencialas, tuo didesnis vandenilio įkrovimo greitis. Kadangi dvipusio komponento negalima elektra izoliuoti nuo CP-apsaugotų konstrukcijų, prie kurių jie jungiasi, nesukeliant skirtingos korozijos rizikos, HISC vengimas traktuojamas kaip projektavimo ir medžiagos-pasirinkimo, o ne CP-sistemos problema.

Standartinis dvipusis ir super dvipusis: kuris laipsnis pasižymi geresniu HISC atsparumu?

Didesnis lydinio kiekis automatiškai nereiškia didesnio HISC atsparumo. „Super duplex“ klasės pasižymi didesniu projektiniu įtempimu dėl didesnio takumo stiprumo, o tai gali kompensuoti jų mikrostruktūros metalurginę naudą ir reikalauja vienodai griežtos įtempių kontrolės.

Toliau pateiktoje lentelėje palyginamos dvi dvipusės šeimos, dažniausiai nurodytos povandeninėms paslaugoms. PREN reikšmės naudoja standartinę formulę %Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N.

1 lentelė. Standartinių dvipusio ir super dvipusio nerūdijančio plieno rūšių, dažniausiai tiekiamo povandeninėms paslaugoms, atitinkamos HISC{1}} savybės.

Šaltiniai: ASTM A182/A240/A479 chemijos ir mechaninių savybių reikalavimai; Alleima SAF 2507 techniniai duomenys; NORSOK M-650 kvalifikacinė literatūra.

Kokie projektavimo standartai reglamentuoja HISC vengimą povandeniniuose dvipusiuose komponentuose?

DNV-RP-F112 yra tarptautiniu mastu pripažintas projektavimo standartas, skirtas HISC vengimui povandeniniame dvipusiame nerūdijančiame pliene. Jis taikomas kartu su NORSOK M-001, NORSOK M-650 ir NACE MR0175/ISO 15156, priklausomai nuo operatoriaus ir srities.

2 lentelė. Povandeninio dvipusio nerūdijančio plieno HISC projektavimo ir medžiagų kvalifikavimo standartai dažniausiai taikomi kartu.

Kokie streso slenksčiai neleidžia atsirasti HISC dvipusiame nerūdijančiame pliene?

Nėra vienos visuotinės įtampos ribos; DNV-RP-F112 nustato leistiną projektinį įtempį kaip komponento kategorijos, apkrovos tipo ir patikrintos mikrostruktūros funkciją, o nepriklausomi laboratoriniai duomenys rodo, kad pasiekiama marža labai priklauso nuo to, kaip gamybos būdas kontroliuoja austenito atstumą.

DNV-RP-F112 suskirsto povandeninius dvipusius komponentus į apkrovos kategorijas ir kiekvienam priskiria įtempių ir deformacijų projektavimo kriterijus, o ne vieną vienodą takumo stiprumo procentą. Kaip bendrą jautrumo iliustraciją, paskelbti trečiosios šalies bandymai parodė, kad šaltai -atkaitintas ir tirpalu -atkaitintas dvipusis vamzdis su smulkiu austenito atstumu nuo 5 iki 15 mikrometrų gali toleruoti nuolatinį įtempį iki maždaug 130 procentų takumo stiprumo, o HISC esant plačiai kontroliuojamai mikrostruktūrai. žymiai žemesnės slenksčio.

Pastovios -apkrovos bandymas verdančiame magnio chlorido pagal ASTM G36 parodė, kad įtempių korozijos įtrūkimų slenksčiai yra maždaug 50 procentų atsparumo tiek pagrindiniam metalui, tiek suvirintoms 2507 klasės superdupleksinėms jungtims. Šie skaičiai parodo, kodėl DNV-RP-F112 laikomos patikrintomis medžiagų sąlygomis, o ne įtempių skaičiavimais. fiksuotas pramonės numeris ir kodėl kiekvienam povandeniniam naudojimui reikalinga specifinė komponentų{8}inžinerinė analizė, o ne nykščio taisyklė.

Kaip mikrostruktūra kontroliuoja HISC atsparumą?

Smulkus, vienodas austenito atstumas ir subalansuota ferito frakcija, paprastai 35–55 procentai ferito, yra pagrindiniai mikrostruktūriniai HISC atsparumo svertai, ir abu yra valdomi kalimo arba vamzdžio formavimo būdu, tirpalo atkaitinimu ir aušinimo greičiu.

Kadangi HISC įtrūkimai plinta per ferito fazę ir sustoja ties ferito-austenito ribomis, mikrostruktūra su glaudžiai ir tolygiai išdėstytomis austenito salelėmis riboja, kiek toli plyšys gali nukeliauti prieš jį sulaikant, todėl padidėja efektyvus slenkstinis įtempis. DNV-RP-F112 rekomenduoja, kad austenito atstumas būtų mažesnis nei maždaug 30 mikrometrų. Stambiagrūdžiai kaltiniai-, ypač storos-pjūvio komponentai, sukietėję arba sukalti be tinkamo sumažinimo, paprastai sukuria platesnį austenito tarpą ir atitinkamai mažesnį HISC atsparumą.

Štai kodėl gamybos būdas yra toks pat svarbus kaip ir chemija: įrodyta, kad karštasis izostatinis presavimas (HIP) ir pažangūs kalimo procesai, skatinantys smulkią, vienalytę grūdėtumo struktūrą, pagerina ir žemoje -temperatūroje, ir atsparumą HISC, palyginti su įprastu tos pačios nominalios klasės kalimu.

Ar išorinė danga pašalina HISC riziką?

Ne. Dengimas sumažina CP srovės veikiamą plotą, bet nepanaikina HISC rizikos, nes manoma, kad per visą eksploatavimo laiką atsiranda dangos pažeidimų, švenčių ir lauko sujungimų, o projektuojant turi būti atsižvelgiama į galimą pliko metalo poveikį.

Lydomosios -epoksidinės ir kitos dangų sistemos yra standartinė povandeninių dvipusių komponentų praktika ir jos reikšmingai sumažina vandenilio įkrovimo greitį, palyginti su pliko metalo, tiesiogiai veikiamo CP. Tačiau dengimas traktuojamas kaip sušvelninimo priemonė, o ne kaip įtempių kontrolės pakaitalas.

DNV{0}}RP-F112 ir NORSOK gairėse daroma prielaida, kad dangos vientisumas tam tikrose vietose pablogės per lauko eksploatavimo laiką - dėl įrengimo pažeidimo, dilimo ar atitrūkimo -, ir reikalaujama, kad pagrindinė įtampa ir medžiagos kvalifikacija vis tiek atitiktų HISC priėmimo kriterijus, tarsi CP poveikis būtų tiesioginis. Nustatyta, kad pasikliaujant vien danga, nepatikrinus įtempių ir mikrostruktūrų, buvo nustatytas kelių dokumentuotų povandeninių gedimų veiksnys.

Kada nikelio lydiniai turėtų pakeisti dvipusį nerūdijantį plieną, skirtą HISC{0}}svarbioms povandeninėms paslaugoms?

Vienfaziai -austenitiniai nikelio lydiniai, tokie kaip Inconel 625 (UNS N06625), yra labai atsparūs CP-varomam HISC, nes juose trūksta ferito fazės, dėl kurios dvipusis plienas yra jautrus, todėl jie yra tinkamiausias patobulinimas naudojant didžiausią-pasekmių komponentus, jungtis ir jungtis patikimai laikomas žemiau dvipusio HISC slenksčio.

3 lentelė. Dvipusio nerūdijančio plieno ir nikelio lydinio 625 atrankos HISC-svarbiuose povandeniniuose įrenginiuose aspektai.

Išsamų savybių palyginimą rasite EETA Inconel 625 medžiagų vadove, kuriame išsamiau aprašoma šios klasės cheminė sudėtis, atsparumas korozijai ir naudojimo jūroje duomenys.

Ko mus moko dokumentuoti povandeniniai HISC gedimai?

Kiekvienas gerai{0}}dokumentuotas povandeninis HISC gedimas siejamas su tomis pačiomis trimis kartu pasitaikančiomis sąlygomis: jautri mikrostruktūra, vandenilio įkrova dėl katodinės apsaugos ir taikomas arba liekamasis įtempis, atitinkantis arba viršijant medžiagos slenkstį -, todėl projektavimo standartai dabar sprendžia visus tris veiksnius kartu, o ne atskirai.

Pirmasis plačiai paplitęs HISC gedimas buvo Foinaven povandeninio stebulės jungtis Šiaurės jūroje 1996 m., po kurios įvyko ritės plyšimas Scott ir Britannia laukuose. Šie incidentai, įvykę turtuose, poliarizuotiems iki maždaug -1,0 V SCE, paskatino TWI, DNV ir Sintef bendrus pramonės projektus, kurie sukūrė techninę DNV-RP-F112 bazę. Naujausios pagrindinės -superdupleksinių (UNS S32760) sujungtų povandeninių jungčių priežasties tyrimai ir toliau rodo tą patį derinį: trapūs lūžimo paviršiai, kalkingos nuosėdos, atitinkančios CP poveikį, ir įtempių koncentracija, kai perjungta, storesnė{10}}į-plonesnė dalis. Pačios NORSOK gedimų istorijoje buvo užfiksuoti maždaug aštuoni dokumentuoti dvipusės struktūros gedimai, priskirti HISC. Dauguma jų buvo susiję su pririšamomis sudedamosiomis dalimis ir ritėmis, kuriose buvo didelis ferito kiekis, dangos pažeidimai arba lokalizuota įtempių koncentracija.

Kaip pirkimų komandos turėtų sumažinti HISC riziką įsigydamos dvipusius komponentus?

HISC rizika geriausiai kontroliuojama tiekimo etape, pirkimo specifikacijoje nurodant mikrostruktūros ir gamybos maršruto reikalavimus, o ne tik chemines ir mechanines savybes, ir reikalaujant dokumentais pagrįstos atitikties DNV-RP-F112 ir NORSOK M-650.

Praktiniai povandeninio dvipusio pirkimo specifikacijų punktai yra šie:

Pirkimo užsakyme aiškiai nurodykite DNV{0}}RP-F112 ir reikalaukite tiekėjo įtempių ir deformacijų projektavimo pagrindų dokumentacijos komponentų kategorijai.

Nurodykite maksimalų austenito atstumą (paprastai 30 mikrometrų ar mažesnį) ir ferito kiekio intervalą bei reikalaukite metalografinių įrodymų medžiagos bandymo ataskaitoje.

Reikalauti NORSOK M-650 gamintojo ir gamybos metodo kvalifikacijos kaltiniams arba liejiniams dvipusiams komponentams, skirtiems povandeniniam aptarnavimui.

Patvirtinkite kalimo ar vamzdžių -formavimo būdą (pvz., karštą izostatinį presavimą arba pažangų kalimo procesą), kai reikalingas atsparumas žemai temperatūrai ir smulkiagrūdė struktūra.

Patikrinkite dangos specifikacijas ir tikrinimo reikalavimus ir įsitikinkite, kad pagrindinė medžiaga vis dar atitinka HISC įtempių kriterijus, nes tai yra-metalas.

Prašyti teigiamo medžiagos identifikavimo (PMI) ir visos EN 10204 3.1 arba 3.2 dokumentacijos, atsekamos iki kaitinimo ir kalimo partijos.

Dažnai užduodami klausimai

Q: Ar dvipusis nerūdijantis plienas netinkamas povandeniniam naudojimui dėl HISC rizikos?

A: Ne. Duplex ir super duplex nerūdijantis plienas tebėra plačiai ir sėkmingai naudojamas povandeniniame vandenyje; šimtai tūkstančių kilometrų dvipusio vamzdžio buvo sumontuoti su katodine apsauga nuo 1970-ųjų. HISC yra valdomas dizaino apribojimas, o ne priežastis vengti medžiagų šeimos.

Q: Ar suvirinimas padidina HISC jautrumą?

A: Taip, suvirinimo siūlės ir jų šilumos{0}}veikiamos zonos yra įprastos HISC inicijavimo vietos, nes suvirinimas gali lokaliai sutirštinti mikrostruktūrą, sukelti liekamąjį įtempį ir sukurti geometrinių įtempių koncentraciją suvirinimo pirštinėje. Suvirintos jungtys HISC projektavimo vertinimuose vertinamos atskirai nuo pagrindinio metalo.

Q: Ar HISC galima aptikti prieš sugendant komponentui?

A: HISC yra uždelstas, dažnai greitas trapus gedimas su ribotu matomu įspėjimu, todėl pramonės požiūriu pabrėžiama, kad reikia užkirsti kelią įtrūkimo sąlygoms per dizainą ir kontroliuojant medžiagas, o ne pasikliauti technine patikra, kad būtų galima anksti pastebėti.

Q: Ar HISC yra tas pats reiškinys, kaip anglies ar mažai-legiruoto plieno trapumas vandeniliu?

A: Jų pagrindinė priežastis yra ta pati – atominis vandenilis trapina jautrią mikrostruktūrą, tačiau dvipusio nerūdijančio plieno HISC yra ypač susijęs su vandenilio padalijimu į dvifazės mikrostruktūros ferito fazę, kuriai taikoma katodinė apsauga, o anglies ir mažai legiruoto plieno vandenilio trapumas susijęs su viena mechanine medžiaga ir medžiaga.