Hastelloy C276 Устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением в высокосернистом газе: соответствие NACE MR0175

Хастеллой C276 (UNS N10276)обладает высокой устойчивостью к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) при работе с высокосернистым газом и прямо указан в качестве приемлемого коррозионно--стойкого сплава в NACE MR0175 / ISO 15156, часть 3, как для сульфидного растрескивания под напряжением (SSC), так и для среды -ориентированного водородного-крекинга (SOHIC).

В отличие от аустенитных нержавеющих сталей, таких как 316L, которые разрушаются под действием хлоридного SCC при температуре выше 60 градусов C, C276 практически невосприимчив к хлоридному SCC и к водородному SSC, поскольку его никелевая матрица не поддерживает механизм растрескивания. Соответствие требованиям требует, чтобы материал находился в состоянии,-отожженном в растворе, с твердостью ниже 35 HRC и нагартованностью ниже 20 процентов; никакая термообработка после-сварки не допускается в диапазоне 600–1150 градусов C.

Устойчив ли Hastelloy C276 к коррозионному растрескиванию под напряжением в высокосернистом газе?

Да. C276 по существу невосприимчив к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) и сульфидному растрескиванию под напряжением (SSC) в высокосернистом газе, поскольку его полностью аустенитная матрица с высоким содержанием-никеля (приблизительно 57 процентов) не подвергается механизмам растрескивания, вызванным хлоридом-или водородом-, которые разрушают углеродистую сталь и даже нержавеющую сталь 300-й серии в одной и той же эксплуатации.

Коррозионное растрескивание под напряжением в кислых средах имеет два знакомых режима разрушения, которых позволяет избежать C276. Первым является хлоридное коррозионное растрескивание под напряжением (Cl-SCC), которое поражает аустенитные нержавеющие стали (304/316), когда горячие, влажные, хлорированные условия превышают примерно 60 градусов C; эти сплавы растрескиваются по границам зерен при умеренном растягивающем напряжении. C276, несмотря на то, что он также является аустенитным, не растрескивается таким образом, поскольку содержание в нем никеля (около 57 процентов) нарушает механизм - никелевые сплавы с содержанием Ni выше примерно 40-45 процентов обычно невосприимчивы к Cl-SCC.

Второй — сульфидное растрескивание под напряжением (SSC), классический убийца углеродистой-стали при работе с H2S: атомарный водород в результате коррозии H2S проникает в сталь, скапливается в твердых зонах и вызывает внезапное хрупкое разрушение под действием растягивающего напряжения. C276 противостоит этому, поскольку он чрезвычайно однороден, не имеет твердых фаз при отжиге в растворе-, а его никелевая матрица не охрупчивает, как это происходит с объемноцентрированной кубической сталью. Опыт эксплуатации на высокосернистых газовых, ДДГ и химических заводах подтверждает срок службы C276 20-30 лет без сбоев SCC.

Что говорит NACE MR0175/ISO 15156 о C276?

В стандарте NACE MR0175 / ISO 15156, часть 3, UNS N10276 (Hastelloy C276) указан как приемлемый коррозионностойкий -стойкий сплав (CRA) для работы в кислой среде в отожженном состоянии-с максимальной твердостью 35 HRC и максимальной холодной обработкой 20 процентов -, что означает, что C276 может быть указан для наиболее агрессивного H2S + CO2 + хлоридная среда без ограничений на растрескивание под воздействием окружающей среды, которая связывает углеродистые и низко-легированные стали.

NACE MR0175/ISO 15156 — это глобальный стандарт, определяющий допустимые материалы и экологические ограничения при добыче нефти и газа в кислых средах (содержащих H2S-). В части 3 рассматриваются коррозионно--стойкие сплавы (CRA), включая сплавы на основе никеля-. В рамках него C276 квалифицируется как CRA без предела растрескивания под воздействием окружающей среды SSC/SOHIC, привязанного к парциальному давлению H2S, поскольку сплав обладает внутренней устойчивостью.

Стандарт предусматривает два контроля состояния материала-: твердость не должна превышать 35 HRC (чтобы гарантировать отсутствие твердых фаз), а холодная обработка не должна превышать 20 процентов (холодная обработка может повысить твердость и создать остаточное напряжение). Этим ограничениям легко соответствует -отожженный в растворе C276, твердость которого обычно составляет 85–95 HRB (приблизительно 15–20 HRC эквивалента). Практический смысл: инженер может выбрать C276 для устья скважины, выкидной линии или сепаратора сернистого газа без сложных расчетов растрескивания под воздействием окружающей среды, необходимых для углеродистой стали, при условии соблюдения производственного контроля (отжиг, низкая холодная обработка, отсутствие запрещенной термообработки).

Таблица 1. Требования NACE MR0175/ISO 15156-3 для C276 (UNS N10276)

Источник: NACE MR0175/ISO 15156-3 (редакция 2020 г.); Приложение, касающееся сплавов на основе никеля.

Почему аустенитная нержавеющая сталь трескается, а C276 — нет?

Аустенитные нержавеющие стали, такие как 316L, растрескиваются при эксплуатации в кислом хлориде при температуре выше 60 градусов C, поскольку их железо-хромовая матрица подвержена хлоридному коррозионному растрескиванию, тогда как никелевая-преобладающая матрица C276 (около 57 процентов Ni) металлургически невосприимчива как к хлоридному SCC, так и к водородному-индуцированному SSC -, поэтому механизм разрушения, разрушающий сталь 316L, просто не может распространиться в С276.

Чтобы понять разницу, сравните два механизма. Хлоридный SCC в нержавеющей стали требует трех условий: чувствительная микроструктура (сенсибилизированный или холоднообработанный аустенит), растягивающее напряжение и хлориды выше температурного порога (обычно это около 60 градусов C для 316L, ниже при высоком хлориде или низком pH). Трещина зарождается в ямке или щели и распространяется межкристаллитно. C276 содержит всего около 5-7 процентов железа и 16 процентов хрома, но 57 процентов никеля; никелевые сплавы с содержанием Ni выше примерно 40-45 процентов не проявляют Cl-SCC таким же образом, а C276, в частности, имеет длительный срок службы в горячих хлорированных и кислых средах без SCC.

При -индуцированном водородом SSC углеродистые и низколегированные-стали выходят из строя, поскольку поглощенный водород собирается в твердом мартенсите или на границах зерен; C276, представляющий собой однофазный-гране-твердый твердый раствор никеля кубической формы, не имеет такой твердой-ловушки фазы и поглощает/переносит водород без охрупчивания. Конечный эффект: там, где проектировщику приходится выбирать между 316L и C276 для кислой, хлорированной и теплой среды, C276 полностью устраняет режим отказа SCC, а не просто повышает пороговое значение.

Таблица 2. Сравнение поведения SCC: 316L и C276 в кислом режиме

Источник: NACE MR0175; Ссылки на пороговые значения SCC (например, отчеты о характеристиках материалов); паспорта сплавов.

Чем C276 отличается от других CRA в высокосернистом газе?

Среди коррозионностойких-сплавов для высокосернистых газов C276 — консервативный выбор высшего-класса для резко восстанавливающих потоков с высоким-хлоридом и высоким-H2S; Инконель 625 соответствует требованиям к окислительным-хлоридам и более высокой- прочности, сплав 825 – к умеренно кислым, а 904L/316L ограничен к низким-хлоридным и более низким-H2S нагрузкам -, поэтому C276 выбирается, когда окружающая среда слишком агрессивна для сплавов более низкого-класса.

Выбор между CRA – это решение, связанное с коррозией-конвертом. В частности, для высокосернистого газа: 316L и 904L ограничены хлоридным SCC и хлоридной ямкой (их PREN составляет только 23-26 и 33-36 соответственно), поэтому они используются только там, где хлориды и H2S низкие. Сплав 825 (PREN около 30) работает с умеренной кислой и серной кислотой, но не идеален при высоком уровне хлоридов.

Инконель 625 (PREN около 51) превосходно окисляет -хлориды и морскую воду-, например кислую среду, и обеспечивает более высокую прочность, но при сильно восстановительной кислоте плюс H2S C276 (PREN около 68 из-за 15-17 процентов Mo) превосходит его. С22 (ПРЕН около 65) очень близок к С276 и часто используется там, где доминируют окисляющие смешанные кислоты; для чистой кислинки/снижающего доминирования эталоном является C276. В таблице ниже каждый сплав сопоставлен с его кислой средой, поэтому разработчик может оправдать выбор C276 вместо более дешевой альтернативы только тогда, когда этого действительно требует химический состав.

Таблица 3. Выбор CRA для работы с высокосернистым газом

Источник: таблицы сплавов NACE MR0175; PREN рассчитывается по номинальному химическому составу; Руководства по выбору CRA.

Каковы экологические ограничения для C276 в кислой среде?

Поскольку C276 квалифицируется как CRA без предела растрескивания в условиях окружающей среды в соответствии с NACE MR0175, его рабочая граница в высокосернистом газе определяется общей и локализованной коррозией (не SCC) - обычно он работает при температуре около 190–230 градусов C в кислой водной среде и примерно до 400–450 градусов C в сухом сернистом газе, что значительно превышает температурный диапазон, при котором углеродистая сталь разрушается под действием SSC.

Для углеродистых и низколегированных сталей NACE MR0175 налагает строгие ограничения, основанные на парциальном давлении H2S, pH и хлоридах (предел «экологического растрескивания»). C276, как CRA, освобожден от ограничений SSC/SOHIC, поэтому реальным пределом является скорость коррозии.

В водной кислой среде (пластовая вода с H2S, CO2, хлоридами) C276 остается пассивным и корродирует со скоростью менее 0,1 мм/год примерно до 190-230 градусов C, за пределами которой может возрасти общая коррозия в сильной кислоте. В сухом или не-кислом газе (без свободной воды) C276 может работать при еще более высоких температурах, при этом верхний-предельный температурный предел сплава определяется его стойкостью к окислению/сульфидиированию - около 400-450 градусов C в серосодержащих средах (и примерно до 650 градусов C в условиях ограниченного доступа воздуха).

Расчетная точка: указать C276 для влажной, хлорированной зоны с высоким-H2S кислой системы; для сухих и более горячих участков выше по потоку могут подойти более низкие сплавы или C276, но C276 обеспечивает запас. Температурные пределы всегда следует подтверждать с учетом конкретной концентрации кислоты и уровня хлоридов с использованием данных о коррозии или испытаний.

Таблица 4. Ориентировочный рабочий диапазон C276 в кислом режиме

Источник: конверт NACE MR0175 CRA; Данные о коррозии Haynes C276; Руководство по материалам для нефтегазовой отрасли.

Какие меры контроля твердости и холодной-обработки применяются к C276 при эксплуатации в кислой среде?

Для соответствия требованиям NACE MR0175 C276 должен поставляться в отожженном состоянии-с твердостью ниже 35 HRC и общей нагартованностью ниже 20 процентов; эти средства контроля предотвращают образование твердой-фазы и остаточных напряжений, которые теоретически могут поставить под угрозу внутреннюю устойчивость сплава к SSC.

Хотя C276 по своей природе -невосприимчив к SSC, NACE по-прежнему накладывает ограничения на твердость и холодную-работу, поскольку при изготовлении могут случайно возникнуть твердые зоны или остаточные напряжения. Потолок в 35 HRC легко достигается: C276, отожженный в растворе, обычно имеет твердость 85-95 HRB, что соответствует примерно 15-20 HRC, что значительно ниже предела. Холодная обработка выше 20 процентов одновременно повышает твердость и создает остаточное растягивающее напряжение, поэтому его ограничивают; любое формование, превышающее 20 процентов, должно сопровождаться полным отжигом в растворе для восстановления соответствия.

Сварные швы представляют собой особый случай: поскольку C276 невосприимчив к сенсибилизации, зона сварного шва- принимается без PWHT, но твердость наплавленного наплавленного металла также должна быть проверена ниже 35 HRC (нагары ERNiCrMo-4/10 обычно находятся в диапазоне 85–95 HRB). Спецификации закупок и производства должны явно ссылаться на NACE MR0175, требовать проведения испытаний на твердость как основного металла, так и сварного шва, а также запрещать холодную обработку, превышающую 20 процентов, без повторного отжига.

Таблица 5. Контрольный список требований к твердости и холодным-работам

Источник: NACE MR0175/ISO 15156-3; ASME Раздел IX; планы качества изготовления.

Как сваривается C276 при работе с высокосернистым газом?

C276 для высокосернистого газа сваривается с наполнителем ERNiCrMo-4 или ERNiCrMo-10, строгая продувка аргоном (O2 ниже 50 частей на миллион), тепловложение 0,5-1,5 кДж/мм, межпроходная температура ниже 93 градусов C и отсутствие термообработки после сварки - и готовый сварной шов должен быть проверен на твердость ниже 35 HRC, чтобы сохранить NACE Соответствие MR0175.

Сварка C276 для работы в кислых средах осуществляется по той же строгой процедуре, что и обычная сварка C276, с дополнительным требованием проверки твердости для подтверждения соответствия. Наполнитель (ERNiCrMo-4 или ERNiCrMo-10) наносит наплавленный металл, который сам по себе устойчив к SSC и имеет твердость ниже 35 HRC, поэтому термообработка не требуется - и это хорошо, поскольку PWHT в диапазоне 600–1150 градусов C в любом случае будет запрещена (она сделает сплав хрупким). Продувка аргоном (содержание O2 ниже 50 частей на миллион) защищает корень от окисления, которое может привести к возникновению очага коррозии при эксплуатации в кислой среде.

Контроль тепловложения предотвращает выделение интерметаллидов. После сварки PT (на поверхностные трещины) плюс RT/UT (на внутреннюю целостность), а также проверка твердости сварного колпачка и HAZ подтверждают, что соединение соответствует NACE. Для сварных швов трубопроводов или поточных линий обязательна аттестованная WPS в соответствии с разделом IX ASME с принятием NACE, а в протоколе аттестации процедуры сварки (WPQR) должны быть документированы результаты твердости.

Таблица 6. Параметры сварки в кислом режиме C276-

Источник: ASME, раздел IX; КДЕС MR0175; Сварочная направляющая Haynes C276 H-2002.

Практический пример: отказ трубопровода для высокосернистого газа - 316L заменен на C276

Поточная линия высокосернистого газа, изначально предусмотренная в 316L, вышла из строя из-за хлоридного коррозионного растрескивания под напряжением после 14 месяцев эксплуатации в теплой среде с высоким-хлоридом и высоким-H2S; замена поврежденной катушки на Hastelloy C276 (UNS N10276) устранила режим отказа SCC и работала без происшествий более 9 лет.

На месторождении добывался влажный высокосернистый газ с содержанием приблизительно 3-5 процентов H2S, 8-10 процентов CO2 и 30 000–60 000 частей на миллион хлорида в попутной воде при температуре выкидной линии около 75–90 градусов C. Оригинальная катушка из 316L, хотя и соответствовала экологическим ограничениям NACE MR0175 на бумаге, вышла из строя из-за межкристаллитного хлорида SCC в сварном шве. зону термического воздействия всего через 14 месяцев, что привело к локализованной, но дорогостоящей утечке и остановке. Металлургическое исследование подтвердило происхождение классического Cl-SCC из карьера.

Оператор повторно -определил-предрасположенную к сбою катушку (и несколько подобных мест) из C276 (UNS N10276),-отожженную на раствор, с насадкой ERNiCrMo-10 и изготовленную в полном соответствии с требованиями NACE-. С момента установки золотники C276 проработали более 9 лет без SCC, утечек и скорости коррозии ниже 0,05 мм/год по данным ультразвукового контроля. Надбавка за материал (C276 примерно в 12-16 раз превышает стоимость 316L за кг) была оправдана тем, что удалось избежать повторных остановок и риска для безопасности, связанного с выбросом высокосернистого газа.

Источник: отчет о расследовании сбоев оператора (анонимно); JN Alloy Sour-Архив сервисного обслуживания.

Как C276 квалифицируется и проверяется на кислую эксплуатацию?

Сертификация C276 в кислой среде-полагается на подтверждение состояния материала NACE MR0175 (отожженный раствор-, твердость по шкале Роквелла < 35, холодная обработка < 20 процентов) плюс стандартная аттестация сварных швов в соответствии с разделом IX ASME, поддерживаемая PMI, испытанием на твердость и неразрушающим контролем; Официальное тестирование SSC в соответствии с NACE TM0177 не является обязательным, но может быть запрошено для критически важного обслуживания.

Поскольку C276 уже внесен в список сертифицированных CRA, в большинстве проектов не проводятся повторные-лабораторные испытания SSC (NACE TM0177, метод A/B), если этого не требует спецификация закупок. Обычный путь аттестации: (1) заводской сертификат (EN 10204 3.1/3.2), подтверждающий химический состав UNS N10276 и состояние-отжига в растворе; (2) испытание на твердость, подтверждающее твердость основания и сварного шва ниже 35 HRC; (3) PMI, подтверждающий правильный сплав на каждой длине и наплавке; (4) WPS/WPQ согласно разделу IX ASME; (5) Неразрушающий контроль (PT, RT/UT) в соответствии с действующим законодательством.

Для работы с критическим или высоким-H2S (например, класс 3) покупателю может потребоваться тестовый купон TM0177 SSC, который подтверждает отсутствие растрескивания после 720 часов под нагрузкой в ​​стандартном растворе H2S - C276 легко проходит это испытание. Пакет документации становится подтверждением соответствия файла оборудования NACE MR0175.

Таблица 7. Квалификация и проверка-сервисного обслуживания

Источник: NACE MR0175; КДЕС ТМ0177; ASME Раздел IX/VIII; планы контроля качества изготовления.

Часто задаваемые вопросы: C276 и высокосернистый газ

Вопрос: Одобрен ли Hastelloy C276 для работы в кислой среде согласно NACE MR0175?

А: Да. UNS N10276 (Hastelloy C276) внесен в список приемлемых коррозионно--стойких сплавов (CRA) в стандарте NACE MR0175/ISO 15156, часть 3, для эксплуатации в кислой среде в-отожженном состоянии. Он не имеет предела растрескивания под воздействием окружающей среды (SSC/SOHIC), привязанного к парциальному давлению H2S, поскольку он обладает внутренней устойчивостью. Соответствие требованиям требует твердости ниже 35 HRC и холодной обработки ниже 20 процентов, без термообработки после-сварки в диапазоне 600–1150 градусов C.

Вопрос: Почему C276 противостоит сульфидному растрескиванию под напряжением, в то время как нержавеющая сталь этого не делает?

Ответ: Высокое содержание никеля в C276 (около 57 процентов) делает его матрицу невосприимчивой как к хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением, так и к водородному -сульфидному растрескиванию под напряжением (SSC). Аустенитные нержавеющие стали, такие как 316L, растрескиваются под действием хлорида SCC при температуре выше 60 градусов C и могут становиться хрупкими в кислой среде, тогда как однофазный твердый раствор никеля C276 не поддерживает эти механизмы. С точки зрения эксплуатации, C276 устраняет режим отказа SCC, а не просто повышает порог.

Вопрос: Можно ли использовать C276 в кислом газе с высоким-H2S и высоким-хлоридом?

А: Да. C276 особенно подходит для самых агрессивных кислых, хлорированных, восстановительных сред - с высоким парциальным давлением H2S, высоким содержанием хлоридов в попутной воде и низким pH -, где 316L, 904L и даже сплав 825 будут ограничены или вышли из строя. PREN около 68 и высокое содержание молибдена придают ему устойчивость к хлоридам и невосприимчивость к SSC. Эксплуатационный предел определяется общей коррозией (приблизительно до 190-230 градусов C при эксплуатации в кислой среде), а не растрескиванием под воздействием окружающей среды.

Вопрос: Нужна ли термообработка C276 после-сварки для эксплуатации в кислой среде?

О: Номер C276 НЕ ДОЛЖЕН подвергаться термообработке после-сварки при температуре 600-1150 градусов C, поскольку это может привести к выделению охрупчивающих интерметаллидов. Состояние сварного-сварного соединения уже является оптимальным с точки зрения устойчивости к коррозии и растрескиванию, и NACE MR0175 допускает такое-сварное соединение. Единственное требование — проверить твердость наплавленного шва ниже 35 HRC и использовать сварку, соответствующую требованиям NACE (наполнитель ERNiCrMo-4/10, продувка аргоном, контролируемое тепловложение).

Вопрос: Чем C276 отличается от Inconel 625 для высокосернистого газа?

Ответ: Оба являются отличными CRA для некачественного обслуживания. C276 (PREN около 68, более высокое содержание молибдена) превосходно работает в сильновосстанавливающих средах с высоким-хлоридом и высоким-кислотным содержанием H2S, тогда как Inconel 625 (PREN около 51) превосходно справляется с окисляющими-хлоридными и морскими водами-такими кислыми средами и обеспечивает более высокую прочность. C276 – это эталон для снижения содержания -кислоты-в кислых потоках; 625 часто выбирают там, где приоритетом является более высокая механическая прочность или устойчивость к окислительным хлоридам.

Вопрос: Какова надбавка к стоимости использования C276 по сравнению с 316L в кислых условиях?

Ответ: C276 стоит примерно в 12–16 раз дороже за килограмм, чем нержавеющая сталь 316L. Однако в кислых, хлорированных средах, где 316L выходит из строя из-за хлоридного SCC в течение 1-2 лет, C276 обеспечивает срок службы 20–30 лет, исключая простои, риск утечек и повторную замену. Анализ стоимости жизненного цикла обычно отдает предпочтение C276 для критических кислых зон, а сплавы с более низким содержанием резервируются для некритических участков системы.