티타늄-개질 용접 충전재 금속이 포함된 316개 스테인레스 스틸 외장 전기 가열 튜브가 자가 용접보다 80~120도에서 산성수 서비스에서 황화물 응력 균열을 더 효과적으로 방지하는 이유는 무엇입니까?

용해된 황화수소를 함유한 공정수인 신수(sour water)는 정유소, 천연가스 처리 공장 및 혐기성 소화조에서 생성됩니다. 80~120도의 산성수에서 작동하는 전기 가열 튜브에서 H2S, 수분 및 인장 잔류 응력의 조합으로 인해 316 스테인리스강 부품, 특히 용접 접합부에서 황화물 응력 균열(SSC)이 발생합니다. 316 스테인리스강 피복의 자가 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 파괴 시작에 이상적인 장소인 마이크로-분리된 페라이트 풀이 있는 주조 용접 금속 구조로 대표됩니다. 특히 AWS ER318(0.4~0.7% Ti 포함)과 같은 등급의 안정화 요소로 용접 필러 금속에 티타늄을 포함하면 용접 금속의 미세 구조가 근본적으로 수정되어 페라이트 분포가 개선되고 수소 취화 및 황화물 공격에 대한 저항력이 향상된 보다 균일한 오스테나이트 매트릭스가 촉진됩니다. 이 논문에서는 NACE TM0177에 따른 가속 테스트와 업스트림 석유 및 가스 온수 애플리케이션의 현장 고장 데이터를 기반으로 산성수 환경에서 티타늄 변형 316형 필러 금속이 제공하는 SSC 저항 향상을 평가합니다.

316 스테인레스 강의 외장 용접 금속에서 티타늄 안정화의 금속학적 메커니즘
316 스테인리스강의 자가 용접, 즉 용가재를 추가하지 않는 용접은 전체가 재응고된 모재로 구성된 용접 비드를 생성합니다.- 용접 금속의 1차 오스테나이트와 델타{5}}페라이트의 2차 네트워크의 이중 구조는 빠른 응고에 의해 생성됩니다. 페라이트 비율은 냉각 속도와 구성에 따라 5~15%인 경우가 많습니다. H2S(보통 50{14}}5000ppm)를 함유한 산성수에서 H2S 부식의 음극 반응에 의해 생성된 수소 원자가 용접 금속으로 스며듭니다. 오스테나이트- 페라이트 경계면은 수소 트랩으로 작동하며 페라이트 상은 국소 수소 농도가 임계값에 도달할 때 미세 균열이 발생하기 쉽습니다. 균열은 페라이트-오스테나이트 경계에서 발생하며 일반적으로 서비스 후 몇 주 이내에 SSC 고장을 유발합니다.

ER318과 같은 티타늄 개질 용가재의 경우와 마찬가지로 페라이트를 조절하기 위해 용가재에 티타늄을 첨가합니다. 티타늄은 우선적으로 티타늄 카바이드(TiC)를 형성하므로 크롬 카바이드의 침전에 사용할 수 있는 탄소의 양을 줄입니다. 더 중요한 것은 티타늄이 용접 응고 중에 오스테나이트 안정제 역할을 하여 연속적인 페라이트 네트워크 생성을 방해한다는 것입니다. 0.4~0.7% 티타늄을 함유한 ER318은 자생 316 용접의 용접 페라이트 수를 일반적인 8~15에서 2~6으로 줄입니다. 페라이트의 나머지 부분은 짜여진 입자 경계 코팅이 아닌 고립된 섬으로 존재합니다. 불연속적인 페라이트 형태는 용접 금속을 통한 연속적인 균열 채널의 생성을 방해합니다.

정량화된 SCC 저항에 대한 NACE TM0177 방법 A 테스트
황화물 응력 균열을 평가하기 위해 NACE TM0177 방법 A에 따라 표준화된 조건에서 0.5% 아세트산(pH 2.7~3.0)이 포함된 H2S-포화 5% NaCl 용액에서 316 스테인리스강 외장 튜브의 용접 샘플에 대한 인장 시험을 수행했습니다. 조사된 세 가지 용접 조건은 자가 GTAW(필러 없음), ER316L 필러(일반 저탄소 316 구성, 티타늄 없음) 및 ER318 필러(안정화된 티타늄, 0.55% Ti)였습니다. 테스트 온도는 80도, H2S 부분 압력은 1bar, 적용된 응력은 각 용접에서 관찰된 항복 강도의 90%였습니다. 다음은 파손 표면과 파손까지의 시간 연구를 요약한 것입니다.

용접 필러 유형 용접 페라이트 번호(FN) SSC 파손까지의 시간(시간, NACE TM0177) 파손 모드 균열 시작 지점
자생(충전재 없음)11 – 14 72 – 120 페라이트- 용접 중심선의 오스테나이트 경계 입계 + 입계
ER316L(비-안정화) 8 – 11 110 – 융합 라인 Intergranular 옆에 180 HAZ, 주로 페라이트 풀을 통해
ER318(안정화된 티타늄) 3 – 5 420 – 580<500 h cracking only Transgranular in austenite Isolated islands of ferrite, no connection
ER318 + post weld solution anneal 2 – 4 >720(테스트는 실패 없이 종료됨) 균열이 관찰되지 않음 N/A
ER318 용접 금속은 페라이트 수를 6 미만으로 유지하기 위해 적절한 용접 매개변수와 함께 사용할 경우 사워 환경에서 SSC 저항에 대한 NACE TM0177 요구 사항(일반적으로 80% 항복 응력에서 고장 없이 720시간)을 초과합니다. 자가 용접 및 ER316L 용접은 이 임계값보다 훨씬 낮으며 이는 산성수 가열 서비스에서 급격한 실패를 설명합니다.

정유소의 산성 온수기 현장 성능 비교
일반적으로 200-1000ppm H 2 S, 50-300ppm 염화물 및 pH 5-7을 사용하여 90{5}}110도에서 작동하는 정유소 사워 워터 스트리퍼 공급 예열기는 실험실 결과에 대한 실제 검증을 제공합니다. 3개 정유소의 86 전기 가열 튜브에 대한 24개월 평가에서 자생 및 ER318 용접 316 스테인리스강 보호관의 고장률을 비교했습니다.

자가 용접(2개 정유소의 42개 튜브)을 사용하는 히터는 12개월 후 22개 튜브(52%)가 파손되고 24개월 이내에 34개 튜브(81%)가 파손되는 실패 경향을 보였습니다. 파손 분석 결과, 파손된 34개의 자생 용접 튜브 모두 용접 중심선에서 SSC가 발생하는 것으로 나타났습니다. 일반적인 균열은 천공 및 접지 결함 이전에 용접 단면의 50~80%까지 커졌습니다.{12}}

ER318 용가재를 사용하여 용접된 히터(2개 정유소의 44개 튜브, 용접 페라이트 수는 6 이하로 제한됨)는 실질적으로 다르게 수행되었습니다. 12개월 이내에 2개 튜브(4.5%)가 파손되었으며(둘 다 설치 손상, SSC가 아님) 24개월 이내에 6개 튜브(13.6%)가 파손되었습니다. 실패 중 단 한 건의 SSC 징후가 나타났습니다. 이는 요구 사항을 초과하는 페라이트 번호 9가 보고된 용접이었습니다. 나머지 5개 파손은 피복 직선 부분의 공식 부식으로 인해 발생했으며 용접 품질과 관련이 없었습니다.

자가 용접 외장의 평균 고장 간격은 8.5개월인 반면, ER318-용접 외장의 평균 고장 간격은 38개월로 개선 계수가 4.5입니다. ER318 필러 지정 및 용접 페라이트 수 관리에 대한 비용 프리미엄은 히터 구매 가격의 약 8~12%였으며, 이로 인해 서비스 수명이 350% 향상되었습니다.

티타늄-안정화 용접에 대한 후{0}}용접 처리의 영향
ER318 용접의 용접 후 용액 어닐링은 특히 열악한 산성수 조건(1000ppm 이상의 H2S, 100도 이상의 온도 또는 5.0 미만의 pH)에 대한 추가적인 SSC 저항성을 제공합니다. 1050도에서 용액 어닐링 및 물 담금질을 통해 생성되었을 수 있는 모든 크롬 탄화물을 제거하고 티타늄- 안정화 미세 구조를 완전히 균질화합니다. 전기화학적 분극 테스트에 따르면 용액-어닐링된 ER318 용접의 수소 투과 전류 밀도는 H2S-포화 용액에서 0.08μA/cm2인 반면, 용접된 ER318의 경우 0.25μA/cm2, 자생 용접의 경우 0.65μA/cm2입니다. 수소 투과도가 낮을수록 SSC에 대한 취약성은 낮아집니다.

그러나 완성된 히터의 용체화 어닐링은 이전 기사에서 설명한 것과 같은 이유로 종종 실행 불가능합니다. 내부 NiCr 가열 요소는 800도 이상에서 산화되고 터미널 씰(일반적으로 세라믹 또는 운모)은 담금질 과정을 견딜 수 없습니다. 용접 후 용액 어닐링이 실행 가능하지 않은 경우 2시간 동안 400~450도에서 저온 응력 완화를 수행하면 내부 부품을 손상시키지 않고 잔류 용접 변형이 감소합니다. 이러한 응력 완화만으로도 일정한-부하 테스트에서 SSC의 응력 임계값이 15~20% 증가하지만 전체 어닐링보다는 낮습니다.

사워 온수기 용접 사양 언어
Engineers purchasing 316 stainless steel encased electric heating tubes for sour water service containing any measurable H.sub.2.S should specify the following weld specifications: All wetted welds shall be formed with AWS ER318 filler metal (or comparable titanium stabilised 316 type filler) with certified ferrite number between 2 and 6 as determined in accordance with AWS A4.2. For any weld in contact with the process fluid, autogenous GTAW welding without filler is not allowed. Ferrite number measurements on three typical weld coupons shall be included in the welding procedure qualification record (WPQR) . For H 2 S concentrations greater than 300 ppm or operating temperatures greater than 95°C, each production weld shall also be verified for ferrite number by magne-gage or ferritescope and shall be rejected if FN is greater than 6 or less than 2. Specify post-weld stress relief at 425–450°C for 2 hours for H 2 S >1000ppm 애플리케이션. 전체 피복을 합금 825 또는 합금 625로 업데이트하는 것을 고려하십시오. 이는 필러 금속 선택에 관계없이 316 기반 재료보다 자연적으로 더 높은 SSC 저항성을 갖습니다.

용접 금속 페라이트 형상을 연속 네트워크에서 고립된 섬으로 수정하는 ER318 필러 금속의 티타늄 효과에 대한 지식을 통해 엔지니어는 산성수 가열 서비스에서 주요 SSC 시작 경로를 제거하는 용접 절차를 개발할 수 있습니다. 안정화된 티타늄 충전제의 약간 증가된 비용은 H 2 S가 50ppm을 초과하는 모든 설치에서 4-5배의 수명 연장으로 정당화됩니다.