هیدروژن-ترک ناشی از فولاد ضد زنگ دوبلکس: ملاحظات خدمات زیر دریا

هیدروژن-ترک ناشی از فولاد ضد زنگ دوبلکس: ملاحظات خدمات زیر دریا

فولادهای زنگ نزن دوبلکس و فوق دوبلکس مواد اولیه برای منیفولدهای زیر دریا، اتصال-در قرقره ها، اتصالات و قرقره های لوله هستند زیرا استحکام بالا را با مقاومت عالی در برابر حفره های کلرید و خوردگی شکاف ترکیب می کنند. با این حال، همان محیط زیردریایی یک حالت شکست را معرفی می‌کند که درجه‌های آستنیتی معمولی را به همان شیوه تحت تأثیر قرار نمی‌دهد: ترک‌خوردگی ناشی از استرس هیدروژن- یا HISC. این مقاله توضیح می‌دهد که چرا HISC رخ می‌دهد، کدام درجه‌های دوبلکس و هندسه اجزا بیشتر در معرض دید قرار می‌گیرند، چه استانداردهای طراحی اعمال می‌شود، و چگونه تیم‌های تدارکات می‌توانند موادی را مشخص کنند که در هنگام سرویس مقاومت می‌کنند.

ترک‌خوردگی ناشی از استرس{0}هیدروژن در فولاد ضد زنگ دوبلکس چیست؟

HISC یک مکانیسم ترک با تاخیر و شکننده است که در آن هیدروژن اتمی تولید شده توسط حفاظت کاتدی به فاز فریت فولاد ضد زنگ دوبلکس پخش می‌شود و آن را تحت تنش کششی پایدار تا زمانی که ترک شروع و بدون هشدار پخش می‌شود، شکننده می‌شود.

فولاد ضد زنگ دوبلکس دارای ریزساختار دو فازی تقریباً 50/50 از بدنه-فریت مکعبی (BCC) و آستنیت مکعبی مرکزی (FCC) است. هنگامی که یک جزء به یک پتانسیل کاتدی قطبی می شود، واکنش تکامل هیدروژن در سطح فلز، هیدروژن اتمی تولید می کند. از آنجایی که فریت BCC دارای نفوذ هیدروژن بسیار بالاتر و حلالیت هیدروژن کمتری نسبت به آستنیت FCC است، هیدروژن در فاز فریت متمرکز شده و شکل پذیری آن را کاهش می دهد.

هنگامی که تنش موضعی در یک بریدگی، پنجه جوش یا ناپیوستگی هندسی از آستانه بحرانی فراتر رفت، یک ترک در فریت ترد شده شروع می‌شود و به سرعت منتشر می‌شود، معمولاً در جایی که با مرز دانه آستنیت برخورد می‌کند قبل از پرش به مسیر فریت بعدی متوقف می‌شود. نتیجه یک سطح شکستگی-به نظر شکننده در ماده‌ای است که معمولاً انعطاف‌پذیر است - که محققین برای تشخیص HISC از خستگی یا اضافه بار مکانیکی استفاده می‌کنند.

چرا گریدهای دوبلکس در مقایسه با فولاد ضد زنگ آستنیتی آسیب پذیر هستند؟

همان ریزساختار{0}دو فازی که به فولاد ضد زنگ دوبلکس استحکام و مزیت مقاومت در برابر سوراخ شدن را نسبت به گریدهای آستنیتی مانند 316L می‌دهد، همچنین منبع حساسیت آن به HISC است.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی تک فاز مانند 316L دارای حلالیت هیدروژن بالا و نفوذ هیدروژن کم هستند، بنابراین هیدروژن به جای تمرکز در مکان های حساس، تمایل دارد در محلول و پراکنده بماند. گریدهای دوبلکس به طور خاص در زیر دریا مورد استفاده قرار گرفتند زیرا استحکام تسلیم بالاتر آنها به اجزای نازک‌تر{3} و سبک‌تر نسبت به جایگزین‌های آستنیتی اجازه می‌دهد، و به دلیل محتوای کروم و مولیبدن بالاتر آنها که توسط

عدد معادل مقاومت حفره ای (PREN)، در برابر خوردگی موضعی بدون نیاز به حفاظت کاتدی به تنهایی مقاومت می کند. با این حال، در عمل، اجزای دوبلکس زیر دریا به صورت الکتریکی به سازه‌های فولادی کربنی - منیفولدها، جامپرها و فولاد ساختاری - متصل می‌شوند که به CP نیاز دارند. این پیوند، جزء دوبلکس را همراه با فولاد کربنی قطبی می کند و منبع هیدروژنی را معرفی می کند که فاز فریت آن در برابر آن آسیب پذیر است.

آیا حفاظت کاتدی باعث HISC می شود و آیا می توان آن را به سادگی حذف کرد؟

حفاظت کاتدی منبع اصلی هیدروژن برای HISC زیر دریا است، اما حذف آن یک راه حل قابل اجرا نیست زیرا اجزای دوبلکس به طور الکتریکی به فولاد کربنی محافظت شده CP{0}} متصل می شوند و در غیر این صورت خورده می شوند.

HISC می‌تواند در هر پتانسیل منفی‌تر از پتانسیل برگشت‌پذیر واکنش تکامل هیدروژن رخ دهد، که تقریباً - 0.73 V در مقابل الکترود کالومل اشباع (SCE) در pH آب دریا است. سیستم‌های CP معمولی زیردریایی برای پتانسیل‌های حفاظتی هدف فولاد ضد زنگ دوبلکس در حدود -0.60 ولت (Ag/AgCl)، اما جفت گالوانیکی به آندهای قربانی یا سیستم‌های جریان تحت تاثیر که برای فولاد کربنی طراحی شده‌اند معمولاً پتانسیل واقعی را منفی‌تر می‌کند، در برخی موارد مستند به سمت -1.0 V SCE یا بیشتر.

هرچه پتانسیل منفی تر باشد، نرخ شارژ هیدروژن بالاتر است. از آنجایی که اجزای دوبلکس را نمی‌توان از نظر الکتریکی از ساختارهای محافظت‌شده CP که به آنها متصل می‌شوند بدون ایجاد خطر خوردگی متفاوت جدا کرد، اجتناب از HISC به عنوان یک مشکل طراحی و انتخاب مواد-به‌عنوان مشکل سیستم CP-در نظر گرفته می‌شود.

دوبلکس استاندارد در مقابل سوپر دوبلکس: کدام درجه مقاومت HISC بهتری را ارائه می دهد؟

محتوای آلیاژ بالاتر به طور خودکار به مقاومت HISC بالاتر ترجمه نمی شود. گریدهای سوپر دوبلکس به دلیل استحکام تسلیم بالاتر، تنش طراحی بالاتری را تحمل می کنند، که می تواند مزایای متالورژیکی ریزساختار آنها را جبران کند و به کنترل تنش به همان اندازه دقیق نیاز دارد.

جدول زیر دو خانواده دوبلکس را که معمولاً برای خدمات زیر دریا مشخص می‌شوند، مقایسه می‌کند. مقادیر PREN از فرمول استاندارد %Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N استفاده می‌کنند.

جدول 1. HISC مقایسه ای-خواص مربوطه نمرات فولاد ضد زنگ استاندارد دوبلکس و فوق دوبلکس که معمولاً برای خدمات زیر دریا ارائه می شود.

منابع: ASTM A182/A240/A479 شیمی و الزامات خواص مکانیکی. اطلاعات فنی Alleima SAF 2507; ادبیات صلاحیت NORSOK M-650.

چه استانداردهای طراحی بر اجتناب از HISC در اجزای دوبلکس زیر دریا حاکم است؟

DNV-RP-F112 استاندارد طراحی شناخته شده بین المللی برای اجتناب از HISC در فولاد ضد زنگ دوبلکس زیر دریا است و بسته به اپراتور و زمینه در کنار NORSOK M-001، NORSOK M-650 و NACE MR0175/ISO 15156 اعمال می شود.

جدول 2. استانداردهایی که معمولاً برای طراحی HISC فولاد ضد زنگ دوبلکس زیر دریا و صلاحیت مواد با هم مورد استفاده قرار می گیرند.

چه آستانه های استرسی از HISC در فولاد ضد زنگ دوبلکس جلوگیری می کند؟

هیچ محدودیت استرس جهانی واحدی وجود ندارد. DNV-RP-F112 تنش طراحی مجاز را به عنوان تابعی از دسته اجزا، نوع بار، و ریزساختار تأیید شده تنظیم می‌کند، و داده‌های آزمایشگاهی مستقل نشان می‌دهد که حاشیه قابل دستیابی به شدت به نحوه کنترل فاصله آستنیت توسط مسیر تولید بستگی دارد.

DNV-RP-F112 اجزای دوبلکس زیردریایی را به دسته‌های بار تقسیم می‌کند و معیارهای طراحی تنش و کرنش را برای هر کدام به جای یک درصد ثابت از استحکام تسلیم اختصاص می‌دهد. به عنوان یک تصویر کلی از حساسیت درگیر،-آزمایش شخص ثالث منتشر شده گزارش داده است که لوله دوبلکس سرد-پیجر شده و محلولی-با فاصله آستنیت ریز بین 5 تا 15 میکرومتر می‌تواند تنش پایدار را تا حدود 130 درصد در شرایط تسلیم هم‌ساختار کنترل‌شده با ریزساختار گسترده‌تر تحمل کند. فاصله آستنیت آستانه قابل توجهی پایین تر را نشان می دهد.

آزمایش بار ثابت-در جوشان کلرید منیزیم به ازای ASTM G36، آستانه‌های ترک خوردگی تنشی را در حدود 50 درصد مقاومت ثابت برای اتصالات فلزی اصلی و اتصالات جوش‌شده با درجه فوق‌العاده دوبلکس 2507 نشان می‌دهد. این ارقام نشان می‌دهند که چرا DNV{4}F7}Limits{2}‏{1}‏{2}‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏​ محاسبات مربوط به وضعیت مواد تأیید شده به جای یک عدد صنعتی ثابت است، و چرا تجزیه و تحلیل مهندسی خاص اجزای-، نه یک قانون سرانگشتی، برای هر برنامه کاربردی زیر دریا مورد نیاز است.

ریزساختار چگونه مقاومت HISC را کنترل می کند؟

فاصله آستنیت ریز و یکنواخت و کسر فریت متعادل، معمولاً 35 تا 55 درصد فریت، اهرم‌های ریزساختاری اولیه برای مقاومت HISC هستند و هر دو از طریق آهنگری یا مسیر شکل‌گیری لوله، بازپخت محلول و سرعت خنک‌سازی کنترل می‌شوند.

از آنجایی که ترک‌های HISC در فاز فریت انتشار می‌یابند و در مرزهای{0}}فریت{0}}آستنیت متوقف می‌شوند، یک ریزساختار با جزایر آستنیتی با فاصله نزدیک و مساوی، فاصله‌ای را که ترک می‌تواند پیش از توقف آن طی کند، محدود می‌کند و تنش آستانه مؤثر را افزایش می‌دهد. DNV-RP-F112 فاصله آستنیت را زیر تقریباً 30 میکرومتر توصیه می‌کند. آهنگری‌های دانه‌درشت، به‌ویژه قطعات ضخیم- که بدون کاهش کافی جامد شده یا آهنگری شده‌اند، تمایل به ایجاد فاصله آستنیتی وسیع‌تر و به‌طور متناظر مقاومت HISC کمتری دارند.

به همین دلیل است که مسیر تولید به اندازه شیمی اهمیت دارد: پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) و فرآیندهای آهنگری پیشرفته که ساختار دانه‌ای ریز و همگن را ارتقا می‌دهند، نشان داده‌اند که هم چقرمگی دمای پایین و هم مقاومت HISC را در مقایسه با آهنگری معمولی با همان درجه اسمی بهبود می‌بخشند.

آیا پوشش خارجی خطر HISC را از بین می برد؟

نه. پوشش ناحیه در معرض جریان CP را کاهش می‌دهد اما خطر HISC را از بین نمی‌برد، زیرا فرض بر این است که آسیب پوشش، تعطیلات، و اتصالات مزرعه در طول عمر مفید رخ می‌دهند و طراحی باید درمعرض قرار گرفتن{1}}فلز خالی در نظر گرفته شود.

فیوژن{0}}اپوکسی پیوندی و سیستم‌های پوششی دیگر رویه‌های استاندارد در اجزای دوبلکس زیر دریا هستند و به طور معنی‌داری نرخ شارژ هیدروژن را در مقایسه با فلز لختی که مستقیماً در معرض CP قرار می‌گیرند کاهش می‌دهند. با این حال، پوشش به عنوان یک کاهش دهنده در نظر گرفته می شود، نه یک جایگزین طراحی برای کنترل تنش.

دستورالعمل‌های DNV-RP-F112 و NORSOK هر دو فرض می‌کنند که یکپارچگی پوشش در برخی مکان‌ها در طول عمر مزرعه - از طریق آسیب نصب، ساییدگی، یا از هم گسیختگی - کاهش می‌یابد و مستلزم آن است که تنش اساسی و صلاحیت مواد همچنان معیارهای پذیرش مستقیم HISC را برآورده کند. تکیه بر پوشش به تنهایی، بدون تایید تنش و ریزساختار، به عنوان یک عامل کمک کننده در چندین شکست زیردریایی مستند شناخته شده است.

چه زمانی باید آلیاژهای نیکل جایگزین فولاد ضد زنگ دوبلکس برای HISC-خدمات حیاتی زیر دریا شوند؟

آلیاژهای نیکل آستنیتی تک فاز مانند Inconel 625 (UNS N06625) تا حد زیادی در برابر HISC مبتنی بر CP مصون هستند، زیرا فاقد فاز فریت هستند که فولاد دوبلکس را حساس می‌کند، و آنها را به ارتقای ترجیحی برای بالاترین{{4}موقعیت‌های{4}موقعیت، اتصال دهنده‌ها، مکان‌های{5}نتیجه{101} و نتایج{4}در بالاترین موقعیت{100}{101} نمی توان به طور قابل اعتماد زیر آستانه HISC دوبلکس نگه داشت.

جدول 3. ملاحظات انتخاب برای فولاد ضد زنگ دوبلکس در مقابل آلیاژ نیکل 625 در کاربردهای حیاتی زیردریایی HISC-.

برای مقایسه کامل دارایی، به راهنمای مواد Inconel 625 EETA مراجعه کنید، که ترکیب شیمیایی، مقاومت در برابر خوردگی، و داده‌های کاربرد دریایی برای این درجه را با عمق بیشتری پوشش می‌دهد.

خرابی های HISC زیردریایی مستند به ما چه می آموزد؟

هر-شکست HISC زیردریایی که به خوبی مستند شده است، به سه شرایط مشابه بازمی گردد: یک ریزساختار حساس، شارژ هیدروژن از حفاظت کاتدی، و تنش اعمال شده یا پسماند در آستانه ماده یا بالاتر از آن -، به همین دلیل است که استانداردهای طراحی اکنون هر سه عامل را به طور مشترک به جای هر یک به صورت مجزا بررسی می کنند.

اولین خرابی HISC که به طور گسترده گزارش شده بود، اتصال توپی زیردریایی Foinaven در دریای شمال در سال 1996 بود و به دنبال آن شکستگی‌های قرقره در میدان‌های اسکات و بریتانیا ایجاد شد. این حوادث، که در دارایی‌های قطبی شده به پتانسیل‌های حدود -1.0 V SCE رخ می‌دهند، پروژه‌های صنعتی مشترک بین TWI، DNV، و Sintef را برانگیخت که مبنای فنی برای DNV-RP-F112 را ایجاد کرد. تحقیقات ریشه‌ای جدید-در مورد اتصالات زیردریایی سوپر دوبلکس شکست خورده (UNS S32760) به همین ترکیب اشاره می‌کند: سطوح شکستگی شکننده، رسوبات آهکی مطابق با قرار گرفتن در معرض CP، و تمرکز تنش در یک انتقال ضخیم‌تر{10}به{12}. تاریخچه شکست خود NORSOK تقریباً هشت خرابی ساختار دوبلکس مستند را به ثبت رسانده است که به HISC نسبت داده می شود، که بیشتر شامل اجزای اتصال و قرقره هایی است که در آن محتوای فریت بالا، آسیب پوشش یا تمرکز تنش موضعی وجود دارد.

تیم‌های تدارکات چگونه باید خطر HISC را در هنگام منبع‌یابی مولفه‌های دوبلکس کاهش دهند؟

خطر HISC به بهترین وجه در مرحله منبع‌یابی با مشخص کردن الزامات ریزساختار و مسیر تولید در مشخصات خرید، نه فقط خواص شیمیایی و مکانیکی، و با الزام انطباق مستند با DNV-RP-F112 و NORSOK M-650، کنترل می‌شود.

نکات مشخصه عملی برای خرید دوبلکس زیر دریا عبارتند از:

DNV-RP-F112 را به صراحت در سفارش خرید ارجاع دهید و به مستندات طراحی تنش و کرنش تامین کننده برای دسته بندی قطعات نیاز دارید.

حداکثر فاصله آستنیتی (معمولاً 30 میکرومتر یا تنگ تر) و محدوده محتوای فریت را مشخص کنید و در گزارش آزمایش مواد به شواهد متالوگرافیک نیاز داشته باشید.

برای قطعات دوبلکس آهنگری یا ریخته‌گری که برای خدمات زیردریایی مقصد می‌شوند، به NORSOK M{1}}650 و صلاحیت روش ساخت نیاز دارید.

مسیر آهنگری یا شکل دهی لوله- (مثلاً پرس ایزواستاتیک داغ یا فرآیند آهنگری پیشرفته) را تأیید کنید که در آن چقرمگی دمای پایین-و ساختار دانه ریز هر دو مورد نیاز است.

مشخصات پوشش و الزامات بازرسی را تأیید کنید، در حالی که تأیید می‌کنید که مواد زیربنایی همچنان معیارهای تنش HISC را بر اساس-فلز کاملاً مطابقت دارد.

درخواست شناسایی مثبت مواد (PMI) و EN کامل 10204 3.1 یا 3.2 اسناد قابل ردیابی به گرما و آهنگری.

سوالات متداول

Q: آیا فولاد ضد زنگ دوبلکس به دلیل خطر HISC برای استفاده در زیر دریا نامناسب است؟

A: نه. فولادهای ضد زنگ دوبلکس و فوق دوبلکس به طور گسترده و با موفقیت در زیر دریا استفاده می شوند. از دهه 1970 صدها هزار کیلومتر لوله دوبلکس با حفاظت کاتدی نصب شده است. HISC یک محدودیت طراحی قابل مدیریت است، نه دلیلی برای اجتناب از خانواده مواد.

Q: آیا جوشکاری حساسیت HISC را افزایش می دهد؟

A: بله، جوش‌ها و مناطق تحت‌تأثیر حرارت{0}}شان محل‌های معمول شروع HISC هستند زیرا جوشکاری می‌تواند به صورت موضعی ریزساختار را درشت کند، تنش پسماند ایجاد کند و غلظت‌های تنش هندسی را در نوک جوش ایجاد کند. اتصالات جوش داده شده جدا از فلز اصلی در ارزیابی های طراحی HISC ارزیابی می شوند.

Q: آیا می توان HISC را قبل از از کار افتادن یک قطعه در سرویس شناسایی کرد؟

A: HISC یک شکست شکننده تاخیری و اغلب سریع با هشدار قابل مشاهده محدود است، به همین دلیل است که رویکرد صنعتی بر جلوگیری از شرایط ترک از طریق طراحی و کنترل مواد به جای اتکا به-بازرسی خدمات برای تشخیص زودهنگام آن تاکید می کند.

Q: آیا HISC همان پدیده تردی هیدروژنی در کربن است یا فولاد کم آلیاژ{0}؟

A: آنها علت اصلی یکسانی دارند، هیدروژن اتمی که یک ریزساختار حساس را ترد می کند، اما HISC در فولاد ضد زنگ دوبلکس به طور خاص به تقسیم هیدروژن به فاز فریت یک ریزساختار دو فازی تحت حفاظت کاتدی مربوط می شود، در حالی که تردی کربن و فولاد آلیاژی پایین-دربردارنده تردی هیدروژنی تریکسی{2} و تک فازی متفاوت است.