Berapa Ambang Batas Retak Korosi Stres Sulfida Maksimum yang Diizinkan pada Pameran Selubung Pemanas Baja Tahan Karat 316 di NACE TM0177 Solusi A pada 24 derajat dan 80 derajat

Ketergantungan Suhu Kerentanan SSC Baja Tahan Karat Austenitik

Pengendalian-suhu terhadap risiko keretakan korosi tegangan sulfida (SSC) pada tabung pemanas listrik di lingkungan layanan asam (pemanas air ladang minyak, sistem panas bumi, atau pemanas proses kilang) bersifat non-monotonik, yaitu risiko bukan sekadar fungsi suhu. Berbeda dari SCC yang diinduksi klorida yang lebih parah seiring dengan peningkatan suhu, SSC baja tahan karat austenitik seperti 316 memiliki kerentanan maksimal pada suhu kamar (20-30 derajat), dan sangat berkurang pada suhu tinggi (lebih dari 80 derajat ). 316 dalam NACE TM0177 Larutan A (5% berat NaCl + 0.5% berat asam asetat, jenuh dengan H2S pada 1 atm, pH ~ 2.7-3.0) memiliki tegangan ambang batas untuk SSC sekitar 60-70% dari kekuatan luluhnya pada 24 derajat. Artinya tegangan yang lebih tinggi dari 120-140 MPa (untuk anil 316 dengan kekuatan luluh ~ 205 MPa) akan menyebabkan retak dalam 720 jam. Pada suhu 80 derajat, ambang batas bergeser ke atas untuk mencapai kekuatan leleh (mendekati 200 MPa) yang menunjukkan kerentanan SSC yang jauh lebih kecil. Dalam makalah ini, ambang batas SSC untuk 316 selubung dikuantifikasi sebagai fungsi suhu.

Asal Mula Suhu-Kerentanan SSC yang Bergantung

Retak korosi tegangan sulfida terjadi ketika atom hidrogen yang terbentuk dari reaksi korosi (Fe + H2S → FeS + 2H) berdifusi ke dalam baja dan menggerogoti struktur mikro. Untuk baja tahan karat austenitik, seperti 316, difusi hidrogen lambat pada suhu kamar karena struktur muka-kubik terpusat (FCC) menghasilkan difusivitas hidrogen yang rendah (sekitar 10-12 hingga 10-11 cm2/s pada 25 derajat dibandingkan 10-6 cm2/s untuk baja feritik). Namun, pengerjaan dingin, dikombinasikan dengan kekerasan tinggi dan kepadatan dislokasi yang tinggi, dapat membuat 316 rentan. Pada suhu yang lebih tinggi ( > 60-80 derajat ) difusivitas hidrogen meningkat, namun toleransi terhadap hidrogen juga meningkat karena dislokasi dapat bergeser untuk menghilangkan tekanan lokal. Laju korosi juga meningkat seiring dengan suhu yang menyebabkan produksi hidrogen lebih banyak, namun reaksi rekombinasi hidrogen lebih sedikit diracuni oleh H 2 S pada suhu yang lebih tinggi. Oleh karena itu konsekuensi bersihnya adalah kerentanan maksimum terhadap SSC antara 20 dan 40 derajat dan penurunan cepat di atas 60 derajat.

Batas SSC yang diukur pada 24 derajat dan 80 derajat

Pengujian SSC beban konstan pada baja tahan karat 316 anil, dengan kekerasan <200 HV, dalam Solusi A NACE TM0177, telah menetapkan tegangan ambang batas berikut untuk retak selama periode pengujian normal 720 jam.

Temperature (°C) Material Condition Yield Strength (0.2% offset, MPa) Threshold Stress for SSC (MPa, 720h)Threshold Stress as % of Yield SSC Susceptibility Rating 24 Annealed (150-180 HV) 205 120-140 60-70% Moderate 24 Cold-worked (20%, 250-300 HV) 400-500 80-120 (absolute) 20-30% High 24 Hard-drawn (>35% CW, >350 HV) 550-700<50 (absolute) <10%Severe 80Annealed 190 (derated) 170-190 90-100% Low 80 Cold-worked (20%) 350-450 250-350 70-80% Moderate 80 Hard-drawn (>35% CW) 500-650 300-500 60-70% Sedang
Interaksi Penting Terhadap Kekerasan-Resistensi SSC

Kekerasan maksimum sebesar 22 HRC (sekitar 250 HV) diperbolehkan untuk baja tahan karat austenitik dalam layanan asam menurut NACE MR0175/ISO 15156 (spesifikasi untuk bahan dalam lingkungan yang mengandung H₂S-). Batas kekerasan ini sesuai dengan maksimum pekerjaan dingin sekitar 15-20%. Tabel di bawah ini memberikan batasan kekerasan dan implikasinya terhadap SSC pada suhu kamar.

Kekerasan Maksimum (HRC) Kekerasan Maksimum (HV) Setara Cold Work SSC Threshold Stress (MPa, 24 derajat, basis anil)316 Dapat diterima per NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Ya (terbatas)
20-22 230-250 12-18% 100 Marjinal
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Rekomendasi Praktis untuk Aplikasi Pemanas Layanan Asam

Rekomendasi berikut didasarkan pada suhu pengoperasian untuk 316 pemanas berselubung untuk digunakan dalam layanan H2S (tekanan parsial H2S di atas 0,05 psia atau konsentrasi di atas 10 ppm dalam air cair).

Temperatur pengoperasian (derajat ) Tekanan parsial H2S (psia) Kekerasan maksimum (HRC/HV) Perlakuan panas pasca-pembentukan yang direkomendasikan Paduan alternatif<30 <0.05 22/250 Stress relief 400-450°C 316 acceptable <30 0.05-0.5 20/230 Full solution anneal + stress relief 316L preferred <30 >0.5 18/210 Full solution anneal Duplex 2205 recommended 30-60 Any 22/250No need (reduced susceptibility) 316 acceptable 60-80 Any 25/280316 accept None necessary (low susceptibility) >80 Apa saja Apa saja (tanpa risiko SSC)316 sepenuhnya dapat diterima Tidak ada yang diperlukan
Diagnosis Lapangan Kerusakan SSC

Retak dari SSC pada selubung pemanas 316 biasanya bersifat transgranular (melalui butiran) dan bukan intergranular, seringkali dengan percabangan seperti klorida SCC tetapi tidak mengandung banyak klorida. Terdapat sedikit deformasi plastis pada permukaan rekahan yang mungkin datar dan bersegi. Tempat yang paling mungkin terjadinya keretakan adalah-area pengerjaan dingin (misalnya radius luar tikungan) dan suhu di bawah 60 derajat . Jika pemanas gagal dari sistem air asam termasuk H 2 S, dan kerusakan terjadi di tikungan atau area kerja dingin-dan suhu layanan sekitar 50 derajat , SSC harus dicurigai jika kekerasannya melampaui sekitar 250 HV, terlepas dari kekerasannya.

Kesimpulan: Pengendalian Risiko SSC melalui Pengendalian Suhu dan Kekerasan

316 stainless steel encased heaters in sour service (H2S-containing environments) have peak vulnerability to SSC at ambient to 40°C, and drops dramatically above 60°C. The threshold stress for SSC in NACE TM0177 Solution A at 24°C is about 60-70% of yield strength (120-140 MPa for annealed 316). At 80C the threshold climbs to near yield strength (170-190 MPa) suggesting substantially lesser danger. For sour service with 316 sheaths, NACE MR0175 requires that the hardness does not exceed 22 HRC (250 HV) when operating below 60°C. Hardness is less important for higher temperature operations (>60 derajat ) oleh karena itu 316 dapat digunakan dengan aman bahkan pada tingkat pekerjaan dingin yang lebih tinggi. Kerangka kerja yang dijelaskan di sini memungkinkan pembeli untuk memilih 316 selubung yang tahan terhadap retak korosi tegangan sulfida dalam kondisi asam dengan menghubungkan suhu, kekerasan, dan tegangan ambang batas SSC.