เหตุใดท่อทำความร้อนไฟฟ้าแบบเปลือกสแตนเลส 316 ที่ใช้ไทเทเนียม- ตัวเติมโลหะเชื่อมที่ผ่านการดัดแปลงจะต้านทานการแตกร้าวจากความเครียดซัลไฟด์ในน้ำเปรี้ยวที่ 80–120 องศาได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าการเชื่อมอัตโนมัติ

น้ำเปรี้ยว ซึ่งเป็นน้ำที่ใช้ในกระบวนการผลิตที่มีไฮโดรเจนซัลไฟด์ละลายน้ำ ถูกสร้างขึ้นโดยโรงกลั่น โรงงานแปรรูปก๊าซธรรมชาติ และเครื่องย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจน ในท่อทำความร้อนไฟฟ้าที่ทำงานในน้ำเปรี้ยวที่อุณหภูมิ 80–120 องศา การรวมกันของ H2S ความชื้น และความเค้นตกค้างในแรงดึงทำให้เกิดการแตกร้าวจากความเค้นซัลไฟด์ (SSC) ในชิ้นส่วนสแตนเลส 316 โดยเฉพาะที่ข้อต่อแบบเชื่อม การเชื่อมอาร์กทังสเตนแก๊สอัตโนมัติ (GTAW) ของปลอกสแตนเลส 316 มีลักษณะเฉพาะโดยโครงสร้างโลหะเชื่อมแบบหล่อพร้อมสระเฟอร์ไรต์แยกระดับไมโคร- ซึ่งเป็นตำแหน่งที่เหมาะสำหรับการเริ่มการแตกหัก การรวมไทเทเนียมไว้ในโลหะตัวเชื่อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฐานะองค์ประกอบรักษาเสถียรภาพในเกรด เช่น AWS ER318 (ที่มี 0.4–0.7% Ti) จะปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของโลหะเชื่อมโดยพื้นฐาน ทำให้การกระจายตัวของเฟอร์ไรต์ดีขึ้น และส่งเสริมเมทริกซ์ออสเทนนิติกที่สม่ำเสมอมากขึ้น พร้อมความต้านทานต่อการแตกตัวของไฮโดรเจนและการโจมตีของซัลไฟด์ได้ดีขึ้น บทความนี้ประเมินการเพิ่มประสิทธิภาพในการต้านทาน SSC โดยโลหะตัวเติมชนิด 316 ที่ได้รับการดัดแปลงด้วยไททาเนียมในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำเปรี้ยว โดยอิงจากการทดสอบแบบเร่งตาม NACE TM0177 และข้อมูลความล้มเหลวภาคสนามจากการใช้งานทำความร้อนด้วยน้ำมันและก๊าซต้นทาง

กลไกทางโลหะวิทยาของการคงตัวของไทเทเนียมในโลหะเชื่อมแบบเปลือกของเหล็กกล้าไร้สนิม 316
การเชื่อมอัตโนมัติด้วยสเตนเลส 316 กล่าวคือ การเชื่อมโดยไม่ต้องเติมโลหะเติม จะทำให้เกิดแนวเชื่อมที่ประกอบด้วยโลหะฐานที่แข็งตัวใหม่ทั้งหมด- โครงสร้างดูเพล็กซ์ของออสเทนไนต์ปฐมภูมิและเครือข่ายทุติยภูมิของเดลต้าเฟอร์ไรต์-ในโลหะเชื่อมเกิดจากการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว เปอร์เซ็นต์เฟอร์ไรต์มักจะอยู่ที่ 5–15% ขึ้นอยู่กับอัตราการเย็นตัวและองค์ประกอบ อะตอมไฮโดรเจนที่เกิดจากปฏิกิริยาแคโทดิกของการกัดกร่อนของ H2S ในน้ำเปรี้ยวที่มี H2S (ปกติคือ 50-5,000 ppm) ซึมเข้าไปในโลหะเชื่อม ส่วนต่อประสานเฟอร์ไรต์ออสเทนไนต์-ทำหน้าที่เป็นตัวดักไฮโดรเจน และเฟสเฟอร์ไรต์นั้นไวต่อการแตกร้าวขนาดเล็กเมื่อความเข้มข้นของไฮโดรเจนในพื้นที่ถึงค่าวิกฤต รอยแตกร้าวเกิดขึ้นที่ขอบเฟอร์ไรต์-ออสเทนไนต์ และทำให้เกิดความล้มเหลวของ SSC ซึ่งมักเกิดขึ้นภายในไม่กี่สัปดาห์ของการบริการ

ไทเทเนียมจะถูกเติมลงในโลหะตัวเติมเพื่อควบคุมเฟอร์ไรต์ เช่นเดียวกับในกรณีของโลหะตัวเติมที่ดัดแปลงด้วยไทเทเนียม เช่น ER318 ไทเทเนียมจะสร้างไทเทเนียมคาร์ไบด์ (TiC) เป็นพิเศษ จึงช่วยลดปริมาณคาร์บอนที่มีอยู่สำหรับการตกตะกอนของโครเมียมคาร์ไบด์ ที่สำคัญกว่านั้น ไทเทเนียมเป็นสารเพิ่มความคงตัวออสเทนไนต์ในระหว่างการแข็งตัวของรอยเชื่อม ช่วยป้องกันการผลิตโครงข่ายเฟอร์ไรต์อย่างต่อเนื่อง ER318 ที่มีไทเทเนียม 0.4–0.7% จะลดหมายเลขเฟอร์ไรต์ของการเชื่อมจากปกติ 8–15 สำหรับการเชื่อมอัตโนมัติ 316 เหลือ 2–6 ส่วนที่เหลือของเฟอร์ไรต์จะปรากฏเป็นเกาะที่แยกออกจากกัน แทนที่จะเป็นการเคลือบขอบเกรนที่สานเข้าด้วยกัน สัณฐานวิทยาของเฟอร์ไรต์ที่ไม่ต่อเนื่องเป็นอุปสรรคต่อการสร้างช่องทางการแตกร้าวอย่างต่อเนื่องผ่านโลหะเชื่อม

NACE TM0177 วิธีการทดสอบความต้านทาน SCC เชิงปริมาณ
การทดสอบแรงดึงของตัวอย่างการเชื่อมของท่อปลอกสแตนเลส 316 ดำเนินการในสารละลาย NaCl 5% อิ่มตัว H2S- พร้อมด้วยกรดอะซิติก 0.5% (pH 2.7–3.0) ภายใต้สภาวะมาตรฐานตาม NACE TM0177 วิธี A เพื่อประเมินการแตกร้าวโดยความเค้นซัลไฟด์ สภาวะการเชื่อมทั้งสามที่ตรวจสอบ ได้แก่ GTAW อัตโนมัติ (ไม่มีตัวเติม), ตัวเติม ER316L (องค์ประกอบคาร์บอน 316 ปกติต่ำ, ไม่มีไทเทเนียม) และตัวเติม ER318 (ทำให้เสถียรด้วยไทเทเนียม, 0.55% Ti) อุณหภูมิทดสอบคือ 80 องศา ความดันบางส่วนของ H2S คือ 1 บาร์ และความเค้นที่ใช้คือ 90% ของความแข็งแรงครากที่สังเกตได้ของการเชื่อมแต่ละอัน ต่อไปนี้เป็นบทสรุปของการศึกษาพื้นผิวแตกหักและเวลาในการแตกหัก

ประเภทตัวเติมเชื่อม หมายเลขเฟอร์ไรต์เชื่อม (FN) เวลาถึงการแตกหักของ SSC (ชั่วโมง, NACE TM0177) โหมดการแตกหัก จุดเริ่มต้นของรอยแตก
อัตโนมัติ (ไม่มีวัสดุตัวเติม)11 – 14 72 – 120 เฟอร์ไรต์-ขอบเขตออสเทนไนต์ในเส้นกึ่งกลางการเชื่อม ตามขอบเกรน + ข้ามแกรนูล
ER316L (ไม่-เสถียร) 8 – 11 110 – 180 HAZ ถัดจากเส้นฟิวชันตามขอบเกรน โดยส่วนใหญ่ผ่านสระเฟอร์ไรต์
ER318 (ไทเทเนียมเสถียร) 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 (การทดสอบสิ้นสุดลงโดยไม่มีความล้มเหลว) ไม่พบรอยแตกร้าว N/A
โลหะเชื่อม ER318 มีคุณสมบัติเหนือกว่าข้อกำหนด NACE TM0177 สำหรับการต้านทาน SSC ในสภาพแวดล้อมที่มีรสเปรี้ยว (โดยทั่วไปคือ 720 ชั่วโมงโดยไม่มีความล้มเหลวที่ความเครียดคราก 80%) เมื่อใช้ร่วมกับพารามิเตอร์การเชื่อมที่เหมาะสมเพื่อรักษาหมายเลขเฟอร์ไรต์ให้ต่ำกว่า 6 การเชื่อมอัตโนมัติและการเชื่อม ER316L นั้นต่ำกว่าเกณฑ์นี้มาก ซึ่งอธิบายความล้มเหลวอย่างรวดเร็วในบริการทำความร้อนด้วยน้ำเปรี้ยว

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพสนามเครื่องทำน้ำอุ่นเปรี้ยวในโรงกลั่น
เครื่องอุ่นฟีดเครื่องกรองน้ำเปรี้ยวของโรงกลั่น โดยทั่วไปทำงานที่ 90-110 องศา โดยมี 200-1000 ppm H 2 S, คลอไรด์ 50-300 ppm และ pH 5-7 ให้การตรวจสอบผลการค้นพบในห้องปฏิบัติการในโลกแห่งความเป็นจริง ในการประเมินระยะเวลา 24 เดือนของท่อทำความร้อนไฟฟ้า 86 ในโรงกลั่นสามแห่ง มีการเปรียบเทียบปลอกสแตนเลส 316 แบบอัตโนมัติและแบบเชื่อม ER318 สำหรับอัตราความล้มเหลว

เครื่องทำความร้อนที่ใช้การเชื่อมอัตโนมัติ (42 ท่อในโรงกลั่น 2 แห่ง) มีแนวโน้มความล้มเหลว 22 หลอด (52%) ล้มเหลวหลังจาก 12 เดือน และ 34 หลอด (81%) ล้มเหลวภายใน 24 เดือน การวิเคราะห์ความล้มเหลวพบว่าท่อเชื่อมอัตโนมัติที่ล้มเหลวทั้ง 34 ท่อมี SSC เล็ดลอดออกมาจากเส้นกึ่งกลางการเชื่อม รอยแตกตามปกติจะขยายออกไปถึง 50–80% ของหน้าตัดของการเชื่อม- ก่อนที่จะมีการเจาะและเกิดข้อผิดพลาดของกราวด์

เครื่องทำความร้อนที่เชื่อมโดยใช้โลหะเติม ER318 (ท่อ 44 ท่อในโรงกลั่น 2 แห่ง หมายเลขเชื่อมเฟอร์ไรต์จำกัดไว้ที่น้อยกว่าหรือเท่ากับ 6) ดำเนินการแตกต่างกันอย่างมาก: ท่อ 2 ท่อล้มเหลว (4.5%) ภายใน 12 เดือน (ทั้งความเสียหายในการติดตั้ง ไม่ใช่ SSC) และท่อ 6 หลอดล้มเหลว (13.6%) ภายใน 24 เดือน ในบรรดาความล้มเหลว มีเพียงข้อบ่งชี้เดียวที่เปิดเผยของ SSC นั่นคือรอยเชื่อมที่มีหมายเลขเฟอร์ไรต์ที่รายงานเป็น 9 ซึ่งเกินข้อกำหนด ความล้มเหลวอีกห้าประการเกิดจากการกัดกร่อนแบบรูเข็มในส่วนตรงของปลอกและไม่เกี่ยวข้องกับคุณภาพการเชื่อม

ปลอกเชื่อมอัตโนมัติมีเวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลว 8.5 เดือน ในขณะที่ปลอกเชื่อม ER318- มีเวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลว 38 เดือน - ปัจจัยการปรับปรุงที่ 4.5 ค่าใช้จ่ายพรีเมียมสำหรับการระบุฟิลเลอร์ ER318 และการจัดการหมายเลขการเชื่อมเฟอร์ไรต์คือ ~8–12% ของราคาซื้อเครื่องทำความร้อน ซึ่งส่งผลให้อายุการใช้งานดีขึ้น 350%

อิทธิพลของ-การรักษารอยเชื่อมต่อไทเทเนียม-รอยเชื่อมที่มีความเสถียร
การหลอมสารละลายหลังการเชื่อมของรอยเชื่อม ER318 ให้ความต้านทาน SSC เป็นพิเศษสำหรับสภาวะน้ำเปรี้ยวที่ไม่เป็นมิตรเป็นพิเศษ – H₂S ที่สูงกว่า 1000 ppm อุณหภูมิที่สูงกว่า 100 องศา หรือ pH ต่ำกว่า 5.0 สารละลายที่หลอมที่อุณหภูมิ 1,050 องศาและดับด้วยน้ำจะขจัดโครเมียมคาร์ไบด์ที่อาจพัฒนาและทำให้โครงสร้างจุลภาคที่มีความเสถียรของไทเทเนียม-เป็นเนื้อเดียวกันโดยสิ้นเชิง การทดสอบโพลาไรซ์เคมีไฟฟ้าเผยให้เห็นว่าความหนาแน่นกระแสการซึมผ่านของไฮโดรเจนสำหรับสารละลาย-รอยเชื่อม ER318 อบอ่อนคือ 0.08 µA/cm2 ในสารละลายอิ่มตัวของ H2S- เทียบกับ 0.25 µA/cm2 สำหรับรอยเชื่อม ER318 แบบอบอ่อน และ 0.65 µA/cm2 สำหรับรอยเชื่อมอัตโนมัติ ยิ่งการซึมผ่านของไฮโดรเจนต่ำ ความเสี่ยงต่อ SSC ก็จะยิ่งน้อยลง

อย่างไรก็ตาม การหลอมสารละลายของเครื่องทำความร้อนที่เสร็จแล้วมักทำไม่ได้ด้วยเหตุผลเดียวกับที่อธิบายไว้ในบทความก่อนหน้านี้: องค์ประกอบความร้อน NiCr ภายในออกซิไดซ์ที่สูงกว่า 800 องศา และซีลขั้วต่อ (โดยปกติจะเป็นเซรามิกหรือไมก้า) ไม่สามารถทนต่อกระบวนการดับได้ ในกรณีที่ไม่สามารถดำเนินการอบอ่อนสารละลายหลังการเชื่อมได้ การลดความเครียดที่อุณหภูมิ 400–450 องศาเป็นเวลา 2 ชั่วโมงจะช่วยลดความเครียดจากการเชื่อมที่ตกค้างโดยไม่ทำลายส่วนประกอบภายใน การบรรเทาความเครียดนี้เพียงอย่างเดียวจะเพิ่มเกณฑ์ความเครียดสำหรับ SSC ขึ้น 15 ถึง 20% ในการทดสอบโหลดคงที่- แต่น้อยกว่าการอบอ่อนทั้งหมด

ภาษาข้อกำหนดการเชื่อมเครื่องทำน้ำอุ่นเปรี้ยว
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 >การใช้งาน 1,000 ppm ลองปรับปรุงเปลือกทั้งหมดเป็นอัลลอยด์ 825 หรืออัลลอยด์ 625 ซึ่งมีความต้านทาน SSC สูงกว่าวัสดุที่ใช้ 316 ใดๆ โดยไม่คำนึงถึงการเลือกโลหะเติม

ความรู้เกี่ยวกับผลกระทบของไทเทเนียมในโลหะเติม ER318 ในการปรับเปลี่ยนรูปร่างเฟอร์ไรต์ของโลหะเชื่อมจากเครือข่ายต่อเนื่องไปจนถึงเกาะที่แยกออกจากกัน ช่วยให้วิศวกรสามารถพัฒนาขั้นตอนการเชื่อมที่ขจัดเส้นทางการเริ่มต้น SSC หลักในบริการทำความร้อนด้วยน้ำเปรี้ยว ค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยของฟิลเลอร์ที่มีความเสถียรของไทเทเนียมนั้นได้รับการพิสูจน์ด้วยการยืดอายุ 4-5 เท่าในการติดตั้งใดๆ ที่ H 2 S เกิน 50 ppm