Corrosió de gas àcid Incoloy 825: resistència a l'esquerda a la corrosió per estrès de clorur en servei H2S

Incoloy 825(UNS N08825, W.Nr. 2.4858) és un aliatge de titani-níquel-ferro-crom estabilitzat amb molibdè i coure, i és un dels aliatges resistents a la corrosió-(CRA) més àmpliament especificats per a la producció de gas àcid (H₂S). El seu contingut de níquel entre un 38 i un 46% el situa molt per sobre del rang de susceptibilitat al craqueig per corrosió per tensió de clorur (CSCC) i està qualificat sota la norma NACE MR0175/ISO 15156-3 per a un servei àcid resistent a l'esquerda amb una duresa màxima de 35 HRC.

Aquest article respon a les preguntes que més es fan els enginyers i els equips d'adquisició: què impulsa el clorur SCC als pous àcids, per què l'Incoloy 825 hi resisteix, com es compara amb 316L, 904L, Alloy 625 i C-276, on es troben els seus límits pràctics, i com seleccionar-lo, soldar-lo i verificar-lo per al servei H₂. Cada declaració quantitativa es pot traçar als estàndards i a les fonts del fabricant enumerades a la secció de Referències.

Incoloy 825 d'un cop d'ull

La taula següent condensa les respostes que aquest article desenvolupa amb detall. Té un format perquè cada fila es pugui extreure i citar de manera independent.

Què és Incoloy 825 i per què s'especifica per al servei de gas àcid?

Incoloy 825 (UNS N08825) és un aliatge de titani-níquel-ferro-crom estabilitzat que conté molibdè i coure, dissenyat per resistir l'atac combinat d'àcids reductors, medis oxidants, clorurs calents i H₂S. És el cavall de batalla CRA de la producció de gas àcid perquè un sol grau ofereix resistència al clorur SCC, resistència al craqueig per tensió de sulfur (SSC), resistència a la perforació i soldabilitat a un cost molt inferior als aliatges de níquel premium com l'aliatge 625 o C-276.

Incoloy 825 pertany a la família Ni{-Fe{-Cr en lloc de la família Ni{-Cr{-Mo, per això és exactament econòmic: el ferro constitueix almenys el 22% de la matriu. Cada addició deliberada té un treball de corrosió específic, tal com es resumeix a la taula 2.

Taula 2. Composició nominal i funció de corrosió de l'Incoloy 825 (UNS N08825).

L'aliatge es subministra en solució-recuit com a canonada (ASTM B423), placa/xamina/tira (B424), barra (B425), tub de condensador (B163) i forja (B564). Com que la microestructura és totalment austenítica i estable, Incoloy 825 conserva una bona tenacitat i segueix sent fàcil de soldar, per això apareix en gairebé totes les comparacions de resistència a la corrosió-per petroli i gas, processament químic i control de la contaminació.

Què és l'esquerda per corrosió per estrès de clorur i per què destrueix l'acer inoxidable als pous àcids?

El crac per corrosió per tensió de clorur (CSCC) és un mode de fallada sobtada, trencadissa, semblant a una fissura-de l'acer inoxidable austenític que requereix tres condicions simultànies - tensió de tracció, ions de clorur i una temperatura superior a aproximadament 60 graus (140 graus F) - i pot fracturar un component gairebé sense esforços generals per sota de la resistència a la corrosió.

CSCC necessita les tres condicions alhora. (1) Tensió de tracció - aplicada per pressió o pes mort, o esforç residual deixat per soldadura, conformat o treball en fred. (2) Ions clorur - presents a la salmorra produïda, als fluids de finalització i a la majoria dels corrents de procés. (3) El trencament de la temperatura - accelera per sobre dels 60 graus aproximadament. Traieu qualsevol dels tres i el mecanisme s'atura.

La seqüència s'entén bé. La pel·lícula passiva es descompon localment a causa d'un generador d'estrès, com ara una punta de soldadura, una rascada o una fossa preexistent. Els ions clorur migren a la bretxa i la hidròlisi dels cations metàl·lics acidifica la cèl·lula oclusa, fent baixar el pH local. La dissolució anòdica es produeix a la punta de l'esquerda mentre que el metall circumdant actua com a càtode, i l'esforç de tracció es concentra a la punta i condueix una esquerda transgranular a través de la gelosia d'austenita. Com que l'esquerda creix sense un aprimament important de la paret, la fallada pot ser sobtada i catastròfica.

Els pous de gas àcid són una tempesta perfecta per a CSCC: l'aigua produïda és salmorra de clorur calenta; H₂S i CO₂ acidifiquen aquesta salmorra; i les temperatures al cap del pou i al fons del pou se situen habitualment entre 60 i 150 graus. La variable de control del material és el contingut de níquel. Tal com mostra el concepte de corba de Copson-de la figura 1, la susceptibilitat al clorur SCC arriba a un màxim en el rang de níquel del 8 al 12% - exactament on es troba la família d'acer inoxidable 304/316 - i cau bruscament quan el níquel supera aproximadament el 20-30%. Aquesta única relació explica per què el 316L s'esquerda en el servei de clorur calent mentre que els aliatges de níquel-alts no ho fan.

Figura 1. Susceptibilitat esquemàtica de - clorur SCC versus contingut de níquel (concepte de corba de Copson-). No escalar; relació qualitativa. Incoloy 825 (38-46% Ni) es troba molt més enllà del rang de craqueig.

Incoloy 825 és resistent a les esquerdes per corrosió per estrès de clorur?

Sí. Amb un 38-46% de níquel, Incoloy 825 es troba molt per sobre del rang de susceptibilitat al clorur SCC i es considera àmpliament immune al clorur SCC en el servei pràctic d'H₂S; a la prova de clorur de magnesi en ebullició (ASTM G36) roman lliure d'esquerdes-on el 316L falla en poques hores.

Tres mecanismes funcionen conjuntament. En primer lloc, l'efecte níquel: augmentar el níquel augmenta l'energia de falla d'apilament-de l'austenita, de manera que les dislocacions es creuen-llisquen fàcilment i la deformació plàstica s'estén uniformement en lloc de formar bandes de lliscament persistents que trenquen la pel·lícula passiva i nucleen esquerdes. El consens de la indústria i la investigació situa l'ampli llindar de resistència prop del 20-30% Ni; a un 38-46% Ni, Incoloy 825 té un gran marge de seguretat per sobre.

En segon lloc, l'efecte molibdè: amb PREN ≈ 31, Incoloy 825 suprimeix l'inici de la fossa molt millor que 316L (PREN ≈ 25). Les fosses són els concentradors d'estrès que converteixen un entorn de clorur en un esdeveniment SCC, de manera que la resistència a la perforació i la resistència al SCC són inseparables a la pràctica. En tercer lloc, l'estabilització de titani evita la precipitació de carbur de crom-en els límits de gra a la zona afectada per la calor de la soldadura-, de manera que l'aliatge evita la microestructura sensibilitzada que crea un camí SCC intergranular en la condició-soldada.

Una advertència honesta: cap aliatge és absolutament immune. A la prova de clorur de magnesi en ebullició extremadament severa - un entorn de laboratori intencionadament agressiu molt més dur que el servei de camp - fins i tot l'Incoloy 825 pot trencar-se després d'una exposició prolongada. Per tant, els enginyers es qualifiquen amb l'entorn de servei real en lloc de confiar en una única prova de laboratori.

Com resisteix Incoloy 825 l'esquerda de l'estrès del sulfur i l'atac H₂S?

Incoloy 825 està qualificat per al servei àcid a la NACE MR0175/ISO 15156-3 com a CRA tipus 4c resistent a l'esquerda-, i amb una duresa inferior o igual a 35 HRC resisteix el craqueig per tensió de sulfur (SSC) i el fissurat{8}} induït per hidrogen (HI); la classificació del tipus 4c no comporta cap restricció de pressió parcial H₂S superior per sota d'uns 132 graus (270 graus F).

El cracking per tensió de sulfur és un fenomen de fragilitat per hidrogen. En servei àcid, l'H₂S "enverina" la recombinació de l'hidrogen atòmic a la superfície de l'acer, de manera que l'hidrogen atòmic es difon al metall i fragilitza les microestructures dures o que contenen fases sensibles a l'hidrogen-com ara la martensita i la bainita. L'Incoloy 825 evita el problema per disseny: la gelosia FCC totalment austenítica i alta-níquel és estable, no conté productes de transformació-sensibles a l'hidrogen i tolera l'hidrogen absorbit molt millor que les estructures ferrítiques o martensítiques.

La NACE MR0175/ISO 15156 (edició actual ISO 15156-3:2020) és l'estàndard rector per als materials en H₂S-que contenen la producció de petroli i gas. L'Incoloy 825 es classifica com un aliatge de tipus 4c a les taules CRA aprovades de la part 3 (per exemple, la taula A.14 de les edicions actuals). Les condicions de qualificació són: les formes de producte fabricades amb l'especificació aplicable, la solució-condició de recuit i la duresa màxima de 35 HRC (algunes formes de producte-treballades en fred-de gran resistència tenen límits inferiors, per exemple, 33 HRC). Per a la classificació del tipus 4c no hi ha cap restricció de pressió parcial H₂S per sota dels 270 graus F (≈132 graus), i l'aliatge es manté qualificat fins a 200 psi H₂S a 350 graus F (≈177 graus).

La norma regula l'esquerdament, no totes les formes de corrosió. Els enginyers encara han d'avaluar l'entorn complet - en-pH in situ, concentració de clorur, temperatura, sofre elemental i entrada d'oxigen - perquè la corrosió general i les picades es gestionen mitjançant la química dels materials i el control del procés, no només per la llista SSC.

Com es compara Incoloy 825 amb 316L, 904L, Alloy 625 i C-276?

Per a gas àcid moderat amb clorurs calents, Incoloy 825 és el punt dolç de rendiment-: supera amb escreix els 316L i 904L en resistència al clorur SCC i qualificació de servei àcid-a un preu similar, mentre que l'aliatge 625 i C-276 només es justifiquen quan la temperatura H₂8'S supera o superen els clorurs. sobre pràctic.

La taula 3 compara els cinc enginyers candidats que pesen més sovint per al servei àcid i clorur.

Taula 3. Comparació d'aliatges de servei àcid-(valors nominals; els nivells de cost són indicatius i depenen-del mercat).

La lectura de la taula comença amb níquel. Amb un 10-14% de Ni, el 316L es troba a la pitjor part de la corba de Copson, motiu pel qual el servei de clorur calent l'esquerda - el seu embolcall ISO 15156-3 és estret (solució-només recuit, al voltant de 22 HRC de duresa, clorur baix i límit de temperatura 2%{8}L) augmentar{8-8}L de temperatura i 2% de níquel. i millora la resistència SCC, però segueix sent un acer inoxidable per sota del llindar de resistència ampli i porta el mateix tipus de restricció de duresa.

L'Incoloy 825 amb un 38-46% de Ni és el primer nivell familiar amb un gran marge per sobre de l'interval d'esquerdes, i és l'únic dels tres graus rics en ferro-qualificats com a CRA de tipus 4c amb un sostre de duresa de 35 HRC. L'aliatge 625 (PREN ≈ 52, temperatura crítica de picat superior a 80 graus en NaCl 1M segons ASTM G150) i C-276 (PREN ≈ 69) compren una resistència substancialment més alta a la picada i a les esquerdes a un cost substancialment més elevat; guanyen el seu preu quan se supera el sobre del 825. Tingueu en compte que el PREN d'Incoloy 825 de ≈ 31 s'aproxima al - de 904L, el seu avantatge és la resistència SCC i SSC i la qualificació de servei àcid, no el nombre de pit.

Figura 2. Contingut de níquel i resistència a la picada (PREN) dels candidats d'aliatge de servei àcid-(valors de composició nominals; PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N).

On s'utilitza l'Incoloy 825 en el servei ric en gas àcid i clorur-?

L'Incoloy 825 s'especifica allà on H₂S es troba amb la salmorra de clorur calenta: tubs de fons i carcasses en pous de gas àcid, línies de flux àcid i sistemes de recollida, cap de pou i equips de superfície, línies d'injecció d'aigua produïda i química-, i intercanviadors de calor - i és igualment commode en planta de mescles d'àcid fosfòric i sulfúric.

A la taula 4 es resumeixen les principals àrees d'aplicació i el treball de corrosió que requereix cadascun.

Taula 4. Aplicacions representatives d'Incoloy 825 en serveis rics en gas àcid i clor{2}.

Quins són els límits pràctics d'Incoloy 825 al servei H₂S?

Com a regla pràctica de selecció, Incoloy 825 s'adapta al servei àcid amb pressió parcial H₂S per sota d'uns 0,1 MPa (15 psi), temperatura per sota d'uns 150 graus i clorur per sota d'aproximadament 20.000 ppm; més enllà d'aquest embolcall - o quan el pH baixa per sota de ~3,5, es produeix l'entrada d'oxigen o s'apliquen condicions HPHT - els enginyers passen a l'Aliatge 625, C-276 o graus d'aliatge superior equivalents.

La classificació ISO 15156-3 tipus 4c defineix el límit de fissuració; El sobre pràctic anterior reflecteix una guia de desplegament de la indústria àmpliament utilitzada per a Incoloy 825 en pous àcids i és un punt de partida, no un substitut de l'avaluació específica del projecte.

Els límits existeixen per raons físiques. PREN ≈ 31 tapes de resistència a la picada i a les esquerdes a temperatura elevada, i la picada és el precursor del clorur SCC. A mesura que la temperatura puja, la pel·lícula passiva es torna menys protectora i els clorurs es tornen més agressius; a mesura que la pressió parcial de H₂S i la concentració de clorur augmenten conjuntament, augmenta el risc de transició entre fosa-a-esquerda i corrosió general (inclosa la deposició de sofre). Elements com l'entrada d'oxigen o el pH inferior a ~ 3,5 redueixen encara més la finestra segura. Aquestes són precisament les situacions en què el molibdè més alt d'Aloy 625 o C-276 guanya la seva prima de cost.

Els activadors d'actualització típics d'Incoloy 825 a Alloy 625 o C-276 inclouen:

• Temperatura -Temperatura de funcionament sostinguda per sobre de ~ 150 graus.
• Clorurs -Concentració de clorur per sobre de ~20.000 ppm combinada amb temperatura elevada.
• Severitat de l'H₂S -Pressió parcial H₂S per sobre de ~0,1 MPa (15 psi) amb aigua lliure.
• pH -pH in-situ inferior a ~3,5 o una fase condensada de -pH baix.
• Condicions comburants -Entrada d'oxigen o sistemes airejats que trenquen la passivitat.
• Servei extrem -Pous HPHT, deposició-elemental de sofre o cicles-de tancament/inici-repetits.

Com s'ha de soldar i fabricar Incoloy 825 per al servei àcid?

L'Incoloy 825 solda fàcilment mitjançant processos convencionals utilitzant farciments de níquel sobre-aliatjats -, normalment l'Aliatge 82 (ERNiCr-3) o l'Aliatge 625 (ERNiCrMo-3). Com que l'aliatge està estabilitzat-titani, generalment no es requereix el recuit de la solució posterior a la soldadura per restaurar la resistència a la corrosió; els controls crítics per al servei àcid són la duresa del metall de soldadura i la HAZ (menor o igual a 35 HRC), la neteja de la superfície i els procediments de soldadura qualificats.

L'estabilització del titani és el fet metal·lúrgic clau. El titani es combina preferentment amb el carboni, de manera que el crom roman en solució sòlida a la-zona afectada per la calor de la soldadura i la precipitació-del carbur de crom (sensibilització) es suprimeix en la condició-soldada. Per tant, Incoloy 825 evita la corrosió intergranular i el camí SCC que afecta els graus inoxidables inestabilitzats després de la soldadura, i el tractament tèrmic post-soldadura generalment no es requereix ni es recomana per a aquests graus austenítics estabilitzats.

La selecció de farciment segueix la pràctica estàndard de la CRA: combinar l'Aliatge 82 (ERNiCr-3) per a la majoria d'aplicacions, o l'aliatge-sobrealiat 625 (ERNiCrMo{-3) on es vol el màxim marge de corrosió. La pràctica-d'aliatges de níquel s'aplica a - superfícies netes i amb baix contingut de sofre; entrada de calor controlada i temperatura interpass; i evitar estrictament la contaminació de l'acer al carboni de les eines o la mòlta.

Per a la qualificació de servei àcid-, el mateix sostre de duresa que s'aplica al metall base s'aplica al metall de soldadura i a la zona afectada per la calor-. Les enquestes de duresa (segons ASTM E10/E18) són un pas estàndard d'acceptació i els projectes crítics els complementen amb proves SSC segons NACE TM0177 i qualificació de pitting segons ASTM G48. La recollida o la passivació després de la fabricació completa la preparació de la superfície.

Com puc triar entre Incoloy 825 i altres aliatges resistents a la corrosió-?

Trieu Incoloy 825 quan l'entorn acobla H₂S amb clorurs a temperatures i pressions moderades; restringir 316L i 904L a condicions lleus i baixes de clorur; i passar a l'aliatge 625 o C-276 quan la temperatura, els clorurs o la gravetat de l'H₂S superin l'embolcall de 825.

Un procés de selecció disciplinat segueix cinc passos.

Pas 1 -Definiu l'entorn de servei: pressions parcials H₂S i CO₂, temperatura, pH in{0}}situ, concentració de clorur, sofre elemental, entrada d'oxigen, tall d'aigua i condicions alterades.

Pas 2 -Comproveu l'estàndard: confirmeu que el candidat figura a l'última edició de NACE MR0175/ISO 15156-3 per al servei exacte, inclosos els límits de duresa tant per a la forma del producte com per a les soldadures.

Pas 3 -Classifica els riscos de fallada: SCC de clorur (contingut de níquel en comparació amb la corba de Copson), SSC/HIC (duresa i microestructura) i corrosió per picadura/escletxa (PREN i temperatura crítica de picadura).

Pas 4 -Compareu l'economia durant la vida útil de l'actiu: cost del material, fabricació, consumibles de soldadura, inspecció i vida esperada. Incoloy 825 és normalment la selecció de valor per a un servei àcid moderat; dúplex o 904L només quan els clorurs i H₂S són suaus; Aliatge 625 o C-276 només per a condicions severes.

Pas 5 -Valideu amb dades: proves de corrosió com NACE TM0177 (SSC), ASTM G48 (pitting) i ASTM G36 (SCC), amb el suport d'un enginyer de corrosió qualificat abans de l'adquisició final.