¿Bajo qué combinación de tensión residual de tracción debido a la longitud del larguero de extracción e inclusión de sulfuro falla la tubería del calentador 316 por agrietamiento inducido por hidrógeno-en servicios de agua agria?

Fragilización por hidrógeno: efectos sinérgicos del estrés y la morfología de la inclusión

El craqueo inducido por hidrógeno (HIC) es un posible modo de falla para los tubos de calefacción eléctrica revestidos de acero inoxidable 316 en entornos acuosos de servicio de agua agria- con concentraciones de sulfuro de hidrógeno (H2S) superiores a 10 ppm, típico del tratamiento de agua de yacimientos petrolíferos, calentamiento geotérmico y procesos de refinería. HIC en 316 no requiere polarización anódica aplicada, a diferencia del agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro. La HIC se produce cuando el hidrógeno atómico, generado por la reacción de corrosión (Fe + H₂S → FeS + 2H), se difunde en el acero y se recombina en las interfaces de inclusión no-metálicas, lo que crea una presión interna que impulsa la propagación de grietas. La susceptibilidad a HIC está controlada por dos parámetros, la magnitud de la tensión residual de tracción resultante del estirado o doblado del tubo y la longitud y orientación de las inclusiones de los largueros de sulfuro de manganeso (MnS). HIC comienza en agua agria a 80-100 grados entre semanas y meses si la tensión de tracción residual supera los 150 MPa y la longitud del larguero de inclusión supera los 50 µm en una dirección perpendicular a la dirección de la tensión. Este artículo estima las combinaciones clave para fallas de HIC y brinda sugerencias para la especificación de materiales para servicio amargo.

Mecanismo de craqueo inducido por hidrógeno-del acero inoxidable austenítico 316

316 se corroe formando sulfuro ferroso (FeS) e hidrógeno atómico en agua agria. El H2S envenena la reacción de recombinación del hidrógeno (2H → H2) y, por tanto, el hidrógeno atómico permanece en la superficie del metal y se difunde en la red austenítica. El hidrógeno se difunde rápidamente a lo largo de los límites de los granos y queda atrapado en inclusiones no metálicas, particularmente en largueros alargados de MnS, donde se recombina en hidrógeno molecular. La presión interna puede llegar a 1.000 MPa o más, suficiente para inducir grietas en la matriz circundante incluso en ausencia de tensión externa. En presencia de una tensión residual de tracción, la fractura se propaga a lo largo de la interfaz entre la inclusión y la matriz, conectando las inclusiones vecinas en un canal de grieta continuo. La ocurrencia de perforación debido a HIC requiere la coincidencia de tres condiciones: (1) una fuente de hidrógeno (concentración de H 2 S superior a 10 ppm, pH inferior a 6, o ambos), (2) inclusiones alargadas de MnS orientadas perpendicularmente a la dirección máxima del esfuerzo de tracción, y (3) esfuerzo de tracción residual por encima del umbral para la propagación de grietas (aproximadamente 100-150 MPa para 316).

80 grados en umbrales de iniciación HIC cuantificados en agua agria

Las pruebas sistemáticas de 316 tubos con niveles de tensión residual controlados y longitudes de largueros de inclusión cuantificadas en la solución A NACE TM0177 (5 % de NaCl + 0.5 % de ácido acético, saturada con H2S, pH ~3,5) han establecido las combinaciones clave para el inicio de HIC en 720 horas (30 días) (a 80 grados).

Residual Tensile Stress (MPa) Maximum MnS Stringer Length (µm) Stringer Orientation Relative to Stress HIC Initiation Time (hours) Crack Depth after 1,000 hours (µm) Time to Perforation (1.5 mm wall) Recommended for Sour Service (H₂S >10 ppm)<50 Any Any No HIC 0 >10 años Sí 50-100<50 No any HIC >10 years 0Yes 50-100 50-100Perpendicular >2,000 <50 >10 años Aceptable
100-150 <50 Any >2,000 <30 >10 años Aceptable 100-150 50-100 Perpendicular 500-1,000 50-150 5-10 años Marginal 100-150 100-200 Perpendicular 200-500 150-300 2-5 añosNo aconsejable
150-200 <50 Any 500-1,000 50-100 5-10 years Marginal 
150-200 50-100 Perpendicular 100-200 200-400 1-3 añosNo recomendado
150-200 100-200 Perpendicular 50-100 400-800 6-18 meses No apto200 50-100 Perpendicular<100 >500 <6 months Not acceptable >200 >100 perpendiculares<50 >800 <3 months Not acceptable
Efecto del trabajo en frío y la dirección de dibujo sobre la susceptibilidad a HIC

Durante el proceso de trefilado de tubos 316, las inclusiones de MnS se alinean paralelas al eje del tubo. La tensión residual de tracción máxima durante el estirado de una funda calefactora también es axial (a lo largo de la longitud del tubo). Si las inclusiones se alargan paralelamente a la dirección de la tensión, entonces la grieta tiene que propagarse a lo largo de la interfaz de la matriz de inclusión-que no es perpendicular a la tensión-, lo que resulta en una menor sensibilidad al HIC. Sin embargo, las operaciones de doblado (creación de tubos en U-) generan tensiones residuales de tracción en la dirección del aro en el radio de curvatura exterior. Ahora bien, si las inclusiones alineadas con el dibujo-están orientadas de manera normal a esta tensión del aro, la susceptibilidad a HIC aumenta mucho. Los calentadores deben especificarse exclusivamente con tubos rectos (sin curvas) o con tensiones de curvatura aliviadas después del conformado, para servicio amargo. Además, los procesos de fabricación de acero que dan como resultado inclusiones globulares en lugar de largueros (refinado AOD o VAR como se describe en el artículo 24) también limitan la longitud máxima de los largueros por debajo de 50 µm, incluso con el mismo nivel de azufre.

Especificaciones prácticas para calentadores de servicio de agua agria 316

Para servicio en agua que contiene H2S superior a 10 ppm o con un pH inferior a 6,0 a temperaturas superiores a 60 grados, se sugieren los siguientes parámetros para calentadores encapsulados 316:

Esfuerzo de tracción residual máximo después de todas las operaciones de conformado: 100 MPa (verificado mediante difracción de rayos X-o mediante prueba de flexión en U- ASTM G38 sin grietas después de 100 horas en solución NACE TM0177)

Longitud máxima del larguero de MnS: 50 µm (siguiendo ASTM E45, método A, nivel de severidad menor o igual a 1,0 para sulfuros tipo A)

Concentración máxima de azufre en acero: 0,005% (50ppm)

Práctica siderúrgica: AOD refinado o superior (VAR/ESR preferible para servicio importante)

Alivio de tensión posterior-a la curvatura: 400-450 grados durante 1 hora para cualquier radio de curvatura R/D < 5,0

Dureza: Máx. 22 HRC (220 HV) para una absorción reducida de hidrógeno.

Si no se puede alcanzar alguno de estos estándares, se recomienda acero inoxidable dúplex 2205 (que tiene una resistencia HIC sustancialmente mayor) o aleación 825.

Identificación de campo de fallos inducidos por HIC-

En HIC, en las vainas del calentador 316, se desarrollan grietas típicas planas y escalonadas que se propagan paralelas al eje del tubo (si las inclusiones son axiales) o circunferenciales (si prevalece la tensión circular). Son típicas múltiples grietas paralelas y a menudo van acompañadas de ampollas en la superficie de la vaina, hinchazón localizada donde el metal ha sido distorsionado por la presión interna del hidrógeno. La superficie de fractura exhibe baja ductilidad y puede presentar una apariencia de "escama de pez" o "escalera" cuando las grietas se han unido a largueros de inclusión adyacentes. El estudio EDS de la superficie de la fractura muestra azufre procedente de las inclusiones originales de MnS y más azufre procedente del proceso de corrosión. Si estas características están ausentes en calentadores que fallan en agua agria, entonces se deben examinar el cloruro SCC o las picaduras como posibles modos de falla.

Conclusión: Manejo del estrés y morfología de inclusión para el servicio amargo

• For 316 stainless steel encased heaters in sour water service (H2S >10 ppm, pH<6, temperature >60 grados), el agrietamiento inducido por hidrógeno-se desarrolla cuando la tensión residual de tracción excede los 100-150 MPa y los largueros de inclusión de MnS alargados superan los 50-100 µm de longitud orientados perpendicularmente a la dirección de la tensión. La tensión residual axial debida al estirado combinado con inclusiones de largueros paralelas al eje es menos dañina que la tensión residual circular debido a la flexión que actúa sobre inclusiones alineadas axialmente.. 316 las vainas especificadas para servicio amargo por los ingenieros deben controlar la tensión residual (después de aliviar la tensión de flexión) y la morfología de la inclusión (bajo contenido de azufre, refinación de AOD, longitud máxima del larguero 50 um). El marco descrito aquí relaciona el estrés residual y la duración de la inclusión con períodos de inicio de HIC mensurables. Con este marco, el comprador puede seleccionar tubos 316 para resistir la fragilización por hidrógeno en el agua agria más hostil.