فرسایش-خوردگی در لوله‌های فولادی ضد زنگ: محدودیت‌های سرعت جریان بر اساس درجه

پاسخ سریع - فرسایش-محدودیت‌های سرعت خوردگی بر اساس درجه

• هیچ سرعت "ایمن" واحدی برای فولاد ضد زنگ وجود ندارد - حد قابل اجرا به درجه، میزان مواد جامد، سطح کلرید و دما بستگی دارد، نه اندازه لوله به تنهایی.

• به عنوان یک نقطه مرجع، نمرات استاندارد آستنیتی (304L/316L) معمولاً به حدود 3-5 متر بر ثانیه (10-16 فوت بر ثانیه) در سرویس تمیز محدود می شود. دوبلکس 2205 تا تقریباً 4-8 متر بر ثانیه؛ درجه های سوپر دوبلکس 2507 و 6Mo تقریباً 8-12 متر بر ثانیه؛ و آلیاژهای نیکل مانند آلیاژ 625 بالاترین سرعت را تحمل می کنند.

• محتوای کروم، مولیبدن و نیتروژن بیشتر (به صورت PREN بیان می شود) با تثبیت لایه غیرفعال در برابر اختلالات مکانیکی، آستانه خوردگی{0}}را افزایش می دهد.

• شن، سیلت، یا سایر جامدات حباب شده به شدت محدودیت سرعت هر درجه را پایین می‌آورند و به جای جستجوی جدول، به آزمایش{0} ویژه پروژه نیاز دارند.

• روش ضریب API RP 14E C- (C=300 برای ضد زنگ 13Cr، C=350 برای دوبلکس، اسماً جامدات-رایگان) رایج‌ترین روش شروع مرجع است، اگرچه اکنون توسط بسیاری از اپراتورها محافظه کارانه در نظر گرفته می‌شود.

فرسایش-خوردگی تسریع تلفات فلزی است که هنگامی رخ می‌دهد که جریان سیال به طور مکانیکی لایه غیرفعال محافظ فولاد ضد زنگ را سریع‌تر از آن‌چه فیلم بتواند اصلاح کند - را مختل می‌کند و سرعت جریان تنها متغیری است که تعیین می‌کند آیا این اختلال رخ می‌دهد یا خیر.

Erosion-Corrosion in Stainless Steel Piping

فولادهای ضد زنگ و آلیاژهای نیکلدر برابر خوردگی مقاومت کنید زیرا کروم (و در گریدهای بالاتر، مولیبدن و نیکل) یک لایه نازک-کروم خود ترمیم شونده- اکسید غیرفعال بر روی سطح تشکیل می دهد. در شرایط ایستا یا سرعت کم، هر گونه آسیب موضعی به این فیلم تقریباً فوراً از بین می‌رود. فرسایش زمانی شروع می‌شود که سرعت جریان، آشفتگی، یا ذرات حباب‌شده، فیلم را به‌طور مکانیکی سریع‌تر از واکنش بازفعال‌سازی می‌کند که آن را بازسازی کند. هنگامی که فلز لخت به طور مکرر در معرض دید قرار می گیرد، آلیاژ زیرین با سرعتی بسیار بیشتر از آن که تحت غوطه وری استاتیکی می خورد خورده می شود - اغلب در زانوها، سه راهی ها، کاهنده ها، جوش ها و پایین دست دریچه ها که جریان جدا یا تسریع می شود، موضعی می شود.

از آنجایی که مکانیسم مکانیکی-الکتروشیمیایی است نه صرفاً شیمیایی، فرسایش-خوردگی را نمی توان با انتخاب ماده به تنهایی با سرعت نامحدود جلوگیری کرد. هر درجه دارای سرعت آستانه ای است که بیش از آن فیلم غیرفعال نمی تواند با حذف مکانیکی هماهنگی داشته باشد، و این آستانه - نه مقاومت خوردگی عمومی در یک آزمایش کوپن - چیزی است که طراحی لوله کشی را در سرویس جریان بالا- حاکم می کند.

مقاومت در برابر خوردگی{0}}مقاومت در برابر خوردگی با عدد معادل مقاومت حفره‌ای (PREN) آلیاژ - دارای محتوای کروم، مولیبدن و نیتروژن بیشتر است، یک فیلم غیرفعال ترمیم کننده سخت‌تر و سریع‌تر- تولید می‌کند که سرعت جریان بالاتری را قبل از ترمیم آسیب تحمل می‌کند.

PREN که به صورت %Cr + 3.3×%Mo + 16×%N محاسبه می‌شود، برای رتبه‌بندی مقاومت حفره‌ای ایجاد شد، اما به شدت با تحمل خوردگی-همبستگی دارد زیرا هر دو حالت شکست به پایداری فیلم منفعل-یکسانی بستگی دارند. گریدهایی که مقادیر PREN بالاتری دارند، لایه اکسید محافظ خود را سریع‌تر پس از اختلال مکانیکی اصلاح می‌کنند، که به آنها اجازه می‌دهد تا قبل از اینکه تلفات خالص فلزی قابل توجه شود، تنش برشی دیواره و انرژی ضربه‌ای بالاتر{5}} را تحمل کنند.

ریزساختار نیز مهم است. گریدهای دوبلکس و فوق دوبلکس فازهای آستنیت و فریت را با هم ترکیب می‌کنند که به آنها قدرت تسلیم بالاتری نسبت به گریدهای آستنیتی مشابه PREN می‌دهد - یک خاصیت مکانیکی که به مقاومت در برابر اثرات سطحی{-سخت شدن و میکرو-اجرای جامدات-جریان باردار، و مستقل از عبور شیمیایی کمک می‌کند. به همین دلیل است که گریدهای دوبلکس اغلب برای سرویس های فرسایشی مشخص می شوند، حتی زمانی که یک گرید آستنیتی تک فازی مقاومت خوردگی عمومی قابل مقایسه ای را در غوطه وری استاتیک ارائه می دهد.

ارزش های نماینده PREN توسط خانواده درجه

درجه	شماره UNS	PREN معمولی	ساختار
304L	S30403	≈18	آستنیتی
316L	S31603	≈24-26	آستنیتی
317L	S31703	≈30-32	آستنیتی
2205 دوبلکس	S31803 / S32205	≈35	دوبلکس
2507 سوپر دوبلکس	S32750	≈42	سوپر دوبلکس
254 SMO (6 ماه)	S31254	≈43	فوق-آستنیتی
آلیاژ 625	N06625	رتبه بندی نشده PREN- (بر اساس Ni-)	آلیاژ نیکل

مقادیر PREN نقاط میانی هستند که از شیمی اسمی در هر محدوده ترکیب ASTM A240/A276/A182 محاسبه می‌شوند. گزارش تست آسیاب گرمای ویژه (MTR) را برای استفاده در پروژه بررسی کنید.

در سرویس‌های تمیز و جامد-رایگان، درجه‌های آستنیتی استاندارد حدود ۳ تا ۵ متر بر ثانیه بالاتر می‌روند، دوبلکس ۲۲۰۵ این محدوده را تقریباً ۴ تا ۸ متر بر ثانیه گسترش می‌دهد، گریدهای سوپر دوبلکس و ۶ مو به ۸ تا ۱۲ متر بر ثانیه می‌رسند، و آلیاژهای نیکل مانند آلیاژهای 625 بدون استهلال می‌توانند به‌طور خاص در جایی که می‌توانند از عیار بی‌ثباتی آلیاژ 625 استفاده کنند، بیشتر است.

What Are the Recommended Flow Velocity Limits for Common Piping Grades

محدوده های زیر نقطه شروع مهندسی هستند، نه مجاز ثابت. آنها روش شناسی عامل API RP 14E C- (که فاکتورهای C- و در نتیجه سرعت مجاز بالاتر را به مواد مقاوم در برابر فرسایش{4} بیشتر اختصاص می‌دهد) را با تحقیقات خوردگی-بر روی درجه‌های فردی ترکیب می‌کنند. هر پروژه باید محدودیت‌هایی را برای ترکیب سیال، بارگذاری جامدات، دما، و هندسه لوله‌کشی خاص تأیید کند.

درجه	محدودیت خدمات{0} را پاک کنید	Sand/Solids-محدودیت لادن	ملاحظات حاکم
304L / 316L	≈3-5 متر بر ثانیه (10-16 فوت بر ثانیه)	≈1-2 m/s	شروع حفره/فرسایش در PREN پایین
317L	≈5-6 متر بر ثانیه (16-20 فوت بر ثانیه)	≈2-3 m/s	افزایش متوسط مو بیش از 316 لیتر
2205 دوبلکس	≈4-8 متر بر ثانیه (13-26 فوت بر ثانیه)	≈3-4 m/s	فیلم غیرفعال + قدرت تسلیم بالاتر
2507 سوپر دوبلکس	≈8-12 متر بر ثانیه (26-39 فوت بر ثانیه)	≈4-6 m/s	PREN بالا، سختی بالا
254 SMO (6 ماه)	≈8-12 متر بر ثانیه (26-39 فوت بر ثانیه)	≈4-6 m/s	پایداری فیلم غیرفعال Mo/N بالا
آلیاژ 625/825	Typically >12-15 m/s	آزمایش ویژه پروژه- مورد نیاز است	Ni{0}}Cr-ماتریس Mo، حداقل خطر گالوانیکی

محدوده‌های گردآوری‌شده از چارچوب عامل فرسایشی API RP 14E{1}}سرعت C- (13Cr ضد زنگ C≈300؛ دوبلکس ضد زنگ C≈350، اسماً جامدات-رایگان)، انتشار داده‌های آزمون فرسایش-آزمایش خوردگی{9} duplex duplex در 2 (سرعت بحرانی ≈4 متر بر ثانیه)، و روش استاندارد طراحی صنعت. قبل از نهایی کردن اندازه خط، نسبت به{12}}جریان خاص-داده‌های حلقه یا میدانی پروژه تأیید کنید.

معادله سرعت فرسایش API RP 14E، Ve=C ÷ √ρm، برای فولاد کربنی نوشته شده است، اما معمولاً با جایگزین کردن یک ضریب C-بیشتر - با ضریب C-- بالاتر، تقریباً 300 به جای 13Cr inless in dulex و 35، به لوله‌های ضد زنگ و دوبلکس تعمیم داده می‌شود. جامدات-سرویس رایگان - که سرعت مجاز محاسبه شده را متناسب با فرسایش بیشتر مواد-تحمل به خوردگی افزایش می‌دهد.

در معادله اصلی API RP 14E، Ve حد سرعت فرسایش بر حسب ft/s، ρm چگالی مخلوط گاز{1}}مایع در شرایط جریان بر حسب پوند/فت³ است، و C یک ثابت تجربی است که به شدت مواد و خدمات مرتبط است. C=100 پیش‌فرض API برای سرویس فولاد کربن پیوسته به‌طور محافظه‌کارانه توسعه داده شده است و در مطالعات میدانی بعدی نشان داده شده است که برای بسیاری از سیستم‌های تمیز و بدون سنباده بسیار محتاطانه عمل می‌کند.

برای لوله‌کشی‌های ضد زنگ و دوبلکس، رویه‌های صنعتی ضریب C- را به طور قابل‌توجهی بالاتر از کربن-فولاد پایه فولادی افزایش می‌دهد تا آستانه خوردگی بالاتر را منعکس کند: مقادیر حدود 300 برای ضد زنگ 13Cr و 350 برای ضد زنگ دوبلکس معمولاً برای سرویس‌های جامد{6} ذکر می‌شوند. از آنجایی که API RP 14E به خودی خود فاکتورهای-C{10} خاص ضد زنگ را تعریف نمی‌کند، این ارقام به‌عنوان راهنمای طراحی برگرفته از تجربه اپراتور و مطالعات تکمیلی عمل می‌کنند تا به‌عنوان یک الزام کد اجباری - مهندسان باید آنها را به‌عنوان نقطه شروع برای اندازه‌گیری، مشروط به تأیید در برابر سرویس خاص، در نظر بگیرند.

بله، محتوای جامدات - بزرگترین اصلاح کننده فرسایش-محدودیت‌های سرعت خوردگی است، و داده‌های آزمایشی منتشر شده نشان می‌دهد که حتی یک درجه غیرفعال شده مانند 2205 دوبلکس به سرعت بحرانی نزدیک به 4 متر بر ثانیه کاهش می‌یابد در حالی که شن و ماسه تقریباً دوبرابر این سرعت در جریان قرار می‌گیرد.

Does Sand or Other Entrained Solids Change the Velocity Limit

فرسایش{0}}تحقیقات خوردگی روی فولاد زنگ نزن دوبلکس 2205 در جریان آب دریا با ذرات شن، سرعت بحرانی نزدیک به 4 متر بر ثانیه را شناسایی کرده است که بالاتر از آن، با افزایش سرعت جریان و تسریع کاهش جرم با محتوای ماسه، آسیب خوردگی فرسایش به شدت افزایش می‌یابد. در زیر آن آستانه، ضربه مکانیکی از ذرات وجود دارد، اما خوردگی-به کمک حذف لایه غیرفعال بر آسیب غالب است. در بالای آن، مکانیسم به سمت فرسایش-محول می‌شود که بسیار جلوتر از بازیابی است.

به همین دلیل است که API RP 14E صراحتاً از ارائه ضریب C ثابت برای سرویس‌های جامد-نمی‌پذیرد و در عوض از آزمایش‌های خاص پروژه درخواست می‌کند. سرعتی که به راحتی در یک جریان فرآیند تمیز و فیلتر شده محافظه کار است، می تواند به خوبی از آستانه خوردگی{5}}در خط آب تولید نشده-یا دوغاب با استفاده از درجه لوله و ضخامت دیواره یکسان عبور کند. هر جدول سرعت - از جمله جدول موجود در این مقاله - زمانی که بارگیری مواد جامد از چند پوند در هزار بشکه بیشتر شد بدون تأیید پروژه{10}}، غیرقابل اعمال تلقی شود.

غلظت کلرید، دما، و محتوای گاز محلول، هر کدام محدودیت سرعت موثر را مستقل از محتوای جامد تغییر می‌دهند، بنابراین همان درجه می‌تواند سرعت مجاز متفاوتی را در تزریق آب دریا، آب تولید شده و آب نمک زمین گرمایی حتی در بارگذاری ذرات یکسان داشته باشد.

خدمات غنی از آب دریا و کلرید{0}

کلریدها مستقیماً از طریق حفره به لایه غیرفعال حمله می‌کنند، که آستانه خوردگی{0}}را کاهش می‌دهد، زیرا فیلم قبلاً قبل از شروع اختلال مکانیکی ضعیف شده است. در-آب دریا با قدرت کامل، سرعت 316L اغلب کمتر از آب تمیز-ش است که مخصوصاً برای مدیریت خطر حفره‌ها انجام می‌شود، و درجه‌های دوبلکس یا فوق-دوبلکس مشخصات پیش‌فرض پس از افزایش محتوای کلرید یا دما هستند.

دمای بالا

با افزایش دما در محیط تهاجمی، سینتیک‌های غیرفعال مجدد{0}}فیلم آهسته می‌شوند، که فاصله بین سرعتی که باعث اختلال می‌شود و سرعتی که فیلم می‌تواند در آن ترمیم شود را کاهش می‌دهد. -سرویس فرسایشی با دمای بالا - آب نمک زمین گرمایی، جریان‌های فرآیند داغ - معمولاً انتخاب گرید را به سمت لوله‌کشی‌های آلیاژی-PREN دوبلکس، فوق-آستنیتی- بالاتر حتی در سرعت‌های جریانی که درجه حرارت پایین‌تر در محیط تحمل می‌کند، سوق می‌دهد.

CO2 و H2S محلول

در سیستم‌های جمع‌آوری نفت و گاز، CO2 محلول اسید کربنیک را تشکیل می‌دهد که سریع‌تر از آب معمولی به هر فلز پایه در معرض قرار گرفته حمله می‌کند و پس از شکسته شدن لایه غیرفعال، فرسایش{1}}خوردگی را ترکیب می‌کند. NACE MR0175/ISO 15156 ترش-شرایط مورد نیاز خدمات، لایه محدودیت‌های متالورژیکی اضافی - مانند محدودیت‌های سختی و گرما{7}}شرایط تیمار - بالای حد سرعت فرسایش-به جای سرعت خوردگی، باید به‌طور مستقل برآورده شوند.

فراتر رفتن از حد فرسایش-محدودیت سرعت خوردگی باعث کاهش ضخامت موضعی و تسریع‌کننده دیوار-به طور معمول در آرنج‌ها، سه راهی‌ها و پایین‌دست محدودیت‌ها - می‌شود که می‌تواند از یک کوپن-به یک نشتی یکنواخت دیوار سریع‌تر از پیش‌بینی شود.

What Happens When a Velocity Limit Is Exceeded

از آنجایی که فرسایش-خوردگی خود تقویت می‌شود، نازک شدن در محل آشفتگی بالا، ناهمواری و شدت آشفتگی موضعی را افزایش می‌دهد، که حذف لایه را در همان نقطه تسریع می‌کند. این باعث ایجاد الگوی تلفات مشخصه-دیواره نعل اسبی یا صدفی-در اکسترودهای آرنج، شاخه های سه راهی و خروجی های کاهنده در خرابی لوله کشی می شود که یک محاسبه مجاز خوردگی- بر اساس تلفات یکنواخت فلز نمی تواند آن را پیش بینی کند.

در عمل، این بدان معناست که برنامه‌های بازرسی برای خطوط مستعد فرسایش-خوردگی-به جای تکیه بر روند تلفات متوسط دیوار-به تنهایی، ناپیوستگی‌های هندسی را با نقشه‌برداری ضخامت اولتراسونیک در اولویت قرار دهند.

کمترین-درجه PREN را که سرعت واقعی، مواد جامد، کلرید و دمای پروژه را با حاشیه - پاک می‌کند انتخاب کنید، نه بالاترین-گرید PREN موجود - زیرا لوله‌های آلیاژی دوبلکس، فوق دوبلکس و نیکل{4} دارای درجه قیمتی قابل توجهی نسبت به استاندارد هستند.

یک ترتیب انتخاب گرید عملی-با 316L به عنوان خط پایه برای سرویس رایگان با سرعت متوسط،{2}}کلرید کم، مواد جامد- شروع می‌شود. در جایی که قرار گرفتن در معرض آب دریا، حباب شن یا سرعت‌های بالاتر از تقریباً 5 متر بر ثانیه مورد انتظار است، 2205 دوبلکس ارتقای استاندارد است که جهش قابل‌توجهی در PREN و قدرت تسلیم با افزایش هزینه متوسط نسبت به درجه‌های آستنیتی ارائه می‌کند. سوپر دوبلکس 2507 و 6Mo سوپر{10}}گریدهای آستنیتی مانند 254 SMO برای بالاترین-سرعت یا بالاترین{13}}قطعات کلریدی یک سیستم - معمولاً کوتاه-بالا{15}} قرقره‌های آشفتگی، هد هد و سوپاپ کنترلی{12} و دریچه‌های کنترلی در عرض6} رزرو شده‌اند. یک خط کامل، که هزینه را کنترل می کند و در عین حال از بالاترین{17} نقاط خطر محافظت می کند.

آلیاژهای نیکل مانند آلیاژ 625 زمانی وارد انتخاب می شوند که سرعت، دما و محتوای کلرید با هم بیشتر از آن چیزی باشد که هر خانواده زنگ نزن می تواند به طور قابل اعتماد تحمل کند، یا جایی که سازگاری گالوانیکی با تجهیزات آلیاژ نیکل{1} موجود مورد نیاز است. از آنجایی که آلیاژ 625 و آلیاژهای نیکل قابل مقایسه در این مقایسه دارای بالاترین هزینه مواد هستند، معمولاً به طور انتخابی - در پمپ‌های جت، چوک‌ها و سایر اجزای نقطه‌ای-منبع-با سرعت بالا- استفاده می‌شوند تا برای اجرای کامل لوله، با خط لوله دوبلکس یا فوق دوبلکس که تعادل را حمل می‌کند.

Q: حداکثر سرعت برای لوله فولادی ضد زنگ 316 لیتر چقدر است؟

A: در سرویس رایگان مواد جامد-، 316L معمولاً به حدود 3-5 متر بر ثانیه (10-16 فوت بر ثانیه) محدود می‌شود. در آب دریا یا سایر سیالات غنی از کلرید، حد عملی معمولاً برای مدیریت خطر حفره‌ای به جای فرسایش خالص کمتر تعیین می‌شود و معمولاً با وجود کلریدها، درجه‌های دوبلکس به جای آن مشخص می‌شوند.

Q: آیا فولاد ضد زنگ دوبلکس در برابر خوردگی-از 316L مقاوم تر است؟

A: بله. Duplex 2205 دارای PREN تقریباً 35 در مقابل تقریباً 24-26 برای 316L است، و ریزساختار دو فازی آن استحکام تسلیم را می‌افزاید که درجات آستنیتی فاقد آن هستند، که مجموعاً آستانه فرسایش-آستانه سرعت خوردگی آن را به خوبی بالاتر از 316L افزایش می‌دهد.

Q: آیا معادله API RP 14E مستقیماً برای لوله کشی فولاد ضد زنگ اعمال می شود؟

A: نه مستقیماً - ضریب پیش‌فرض C- API RP 14E 100 برای فولاد کربنی ایجاد شده است. لوله‌کشی‌های ضدزنگ و دوبلکس از ضرایب C بالاتری استفاده می‌کنند (تقریباً 300 برای ضد زنگ 13Cr و 350 برای دوبلکس در سرویس‌های نامی جامد{9}}رایگان) که از رویه صنعتی استخراج شده‌اند، زیرا خود عمل توصیه‌شده مقادیر خاص ضد زنگ را منتشر نمی‌کند.

Q: میزان شن و ماسه چقدر محدودیت سرعت فولاد ضد زنگ را کاهش می دهد؟

A: بطور قابل ملاحظه ای آزمایش منتشر شده روی 2205 دوبلکس در شن-آب دریای مملو از سرعت بحرانی نزدیک به 4 متر بر ثانیه، تقریباً نصف سرعت قابل تحمل در شرایط تمیز، جامدات-عاری از فرسایش{5}}و آسیب خوردگی{5}}با افزایش محتوای ماسه فراتر از این آستانه، شتاب بیشتری می‌گیرد.

Q: چه زمانی یک پروژه باید از آلیاژ نیکل به جای فولاد ضد زنگ فوق دوبلکس استفاده کند؟

A: زمانی که سرعت جریان، دما و محتوای کلرید با هم بیشتر از آن چیزی باشد که درجه‌های فوق دوبلکس یا 6Mo می‌توانند به طور قابل اعتماد تحمل کنند، یا در مواردی که الزامات دمایی-ترش، سازگاری{2}}گالوانیکی{2}} یا شدید{3}} اعمال می‌شود. آلیاژهای نیکل مانند آلیاژ 625 معمولاً با توجه به هزینه بالای آن‌ها به‌طور انتخابی در اجزای{6}سرعت بالا به جای کل لوله‌ها استفاده می‌شوند.