Jakie są typowe awarie rur ze stali nierdzewnej martenzytycznej podczas użytkowania?

Rurki ze stali nierdzewnej martenzytycznej jest ceniony ze względu na wysoką wytrzymałość i umiarkowaną odporność na korozję, co czyni go kluczowym w sektorach krytycznych, takich jak przetwarzanie chemiczne ropy i gazu oraz wytwarzanie energii. Jednak w warunkach wysokiego naprężenia i specyficznych agresywnych mediów MSS jest bardzo podatny na pękanie wywołane środowiskiem, co jest powszechnym i poważnym rodzajem awarii.

1. Pękanie naprężeniowe siarczkowe (SSC)

SSC stanowi najbardziej destrukcyjny mechanizm awarii rur MSS w „kwaśnych warunkach” ropy i gazu, w których występuje siarkowodór HS.

• Mechanizm: Siarkowodór rozkłada się na powierzchni metalu, wytwarzając wodór atomowy, który przenika do stali. Obszary stali martenzytycznej o wysokiej wytrzymałości i zlokalizowanej koncentracji naprężeń, takie jak strefy obrabiane na zimno lub spoiny, są głównymi miejscami gromadzenia się wodoru. Uwięziony wodór powoduje lokalną redukcję plastyczności i kruchość, prowadząc do nagłego pęknięcia pod naprężeniami rozciągającymi znacznie poniżej granicy plastyczności materiału.

• Strefy wysokiego ryzyka: Spawaj strefy wpływu ciepła (HAZ) obszary o dużej koncentracji naprężeń i rury o niekontrolowanym poziomie twardości (nadmierna twardość).

• Trendy branżowe: Ze względu na rosnące ciśnienia cząstkowe HS w środowiskach głębokich i bardzo głębokich odwiertów, przemysł zmierza w kierunku stali martenzytycznych o ultraniskiej zawartości węgla i modyfikowanych niklem, w połączeniu z rygorystycznymi procesami odpuszczania w wysokiej temperaturze, aby zminimalizować podatność na SSC.

2. Pękanie korozyjne naprężeniowe chlorków (CISCC)

• Mechanizm: Jony chlorkowe uszkadzają warstwę pasywną na powierzchni stali nierdzewnej, tworząc miejsca koncentracji naprężeń. Pod wpływem długotrwałego naprężenia rozciągającego powstają pęknięcia, które rozprzestrzeniają się transkrystalicznie lub międzykrystalicznie, ostatecznie prowadząc do zniszczenia ściany.

• Typowe zastosowania: Wytwornice pary w elektrowniach, systemy oczyszczania solanki o wysokim stężeniu i niektóre wysokotemperaturowe, wysokociśnieniowe rurociągi chemiczne.

KATEGORIA DRUGA OBCIĄŻENIE MECHANICZNE I USZKODZENIA ZMĘCZENIOWE

Ponieważ rury MSS są często stosowane w elementach nośnych i dynamicznych, ich awarie są często powiązane bezpośrednio z cyklicznymi naprężeniami lub ekstremalnymi obciążeniami mechanicznymi.

1. Zmęczenie

Zmęczenie jest najczęstszym rodzajem uszkodzenia mechanicznego materiałów o wysokiej wytrzymałości poddawanych cyklicznym obciążeniom, takim jak wahania ciśnienia płynu lub wibracje mechaniczne.

• Mechanizm: Pęknięcia zwykle inicjują się na defektach powierzchniowych. Zarysowania ścian wewnętrznych. Wżery korozyjne lub mikroskopijne wtrącenia. Okresowe cykliczne zmiany naprężeń powodują akumulację uszkodzeń w strefie plastycznej na końcu pęknięcia, co prowadzi do powolnej propagacji pęknięcia, aż do momentu, gdy pozostały przekrój poprzeczny nie będzie już w stanie wytrzymać chwilowego obciążenia, co spowoduje nagłe kruche pęknięcie.

• Strefy wysokiego ryzyka: Wały pomp, łopatki turbin, w których w odcinkach korzeniowych i odcinkach charakteryzujących się wysokimi wibracjami rurociągów transportowych na duże odległości stosowana jest stal martenzytyczna.

• Wyzwanie techniczne: Wytrzymałość zmęczeniowa jest bardzo wrażliwa na integralność powierzchni. Dokładne polerowanie powierzchni i kontrolowanie głębokości warstwy obrabianej na zimno mają kluczowe znaczenie dla zwiększenia trwałości zmęczeniowej MSS.

2. Kruchość wodorowa (HE)

Ściśle powiązany z SSC HE może być wywołany procesami produkcyjnymi, takimi jak galwanizacja lub trawienie, lub niewłaściwą ochroną katodową podczas pracy, niezależnie od obecności siarczków.

• Mechanizm: Stal absorbuje wodór atomowy, co prowadzi do gwałtownego spadku ciągliwości i wytrzymałości na pękanie. Nawet bez zewnętrznych czynników korozyjnych, jeśli występują naprężenia rozciągające, atomy wodoru będą sprzyjać zarodkowaniu i wzrostowi pęknięć.

KATEGORIA TRZECIA STABILNOŚĆ TERMICZNA I DEGRADACJA MIKROSTRUKTURALNA

Wydajność martenzytycznej stali nierdzewnej zależy w dużej mierze od jej stabilnej, hartowanej mikrostruktury. Niewłaściwa ekspozycja na temperaturę może prowadzić do degradacji mikrostruktury i gwałtownego spadku wydajności.

1. Kruchość temperamentu

Niektóre pierwiastki stopowe, takie jak fosfor, cyna i antymon, mogą segregować wzdłuż granic ziaren podczas powolnego chłodzenia lub długotrwałej ekspozycji w zakresie temperatur od 350 stopni C do 550 stopni C. Prowadzi to do znacznej utraty udarności stali, powodując kruchość odpuszczania.

• Konsekwencja: Chociaż twardość może nie zmieniać się znacząco, odporność materiału na naprężenia udarowe szybko pogarsza się w niskich temperaturach lub przy dużych prędkościach odkształcania, co czyni go bardzo podatnym na kruche pękanie.

• Środki zapobiegawcze: Stosowanie hartowania w wodzie lub szybkiego chłodzenia w krytycznym zakresie temperatur kruchości po odpuszczaniu.

2. 475 stopni C Kruchość i wytrącanie fazy sigma

Długotrwała ekspozycja martenzytycznej stali nierdzewnej w zakresie temperatur od 400 stopni C do 500 stopni C może prowadzić do wytrącania się faz bogatych w chrom, szczególnie w temperaturze około 475 stopni C, powodując zjawisko znane jako kruchość w temperaturze 475 stopni C. Ponadto długotrwałe narażenie na wyższe temperatury, takie jak 600 stopni C do 900 stopni C, może powodować wytrącanie się twardej i kruchej fazy sigma.

• Wpływ: Obydwa zjawiska znacznie zmniejszają plastyczność i wytrzymałość materiału, jednocześnie zmniejszając odporność na korozję.

• Wgląd w zastosowanie: Długoterminowa temperatura pracy rur MSS musi być ściśle ograniczona, aby uniknąć tych wrażliwych zakresów temperatur.