Hastelloy C276 산성 가스에서의 응력 부식 균열 저항성: NACE MR0175 규정 준수

하스텔로이 C276(UNS N10276)산성 가스 사용 시 응력 부식 균열(SCC)에 대한 저항성이 매우 높으며 황화물 응력 균열(SSC) 및 응력-지향 수소-유도 균열(SOHIC) 환경 모두에 대해 NACE MR0175/ISO 15156 Part 3에 허용 가능한 내부식성 합금으로 명시적으로 등재되어 있습니다.

약 60°C 이상에서 염화물 SCC에 의해 파손되는 316L과 같은 오스테나이트 스테인리스강과 달리 C276은 니켈 매트릭스가 균열 메커니즘을 지원하지 않기 때문에 염화물 SCC 및 수소{3}}유도 SSC에 본질적으로 면역입니다. 규정 준수를 위해서는 재료가 35HRC 미만의 경도와 20% 미만의 냉간 가공을 갖춘 용액{5}}어닐링 조건에 있어야 합니다. 600~1150°C 범위에서는 용접 후 열처리가 허용되지 않습니다.

Hastelloy C276은 산성 가스의 응력 부식 균열을 방지합니까?

예. C276은 본질적으로 사워 가스의 응력 부식 균열(SCC) 및 황화물 응력 균열(SSC)에 면역입니다. 왜냐하면 C276의 고-니켈(약 57%) 완전 오스테나이트 매트릭스는 동일한 서비스에서 탄소강과 심지어 300 시리즈 스테인리스강까지 파괴하는 염화물{4}}유발 또는 수소{5}}유발 균열 메커니즘을 겪지 않기 때문입니다.

산성 환경에서의 응력 부식 균열에는 C276이 피할 수 있는 두 가지 친숙한 실패 모드가 있습니다. 첫 번째는 염화물 응력 부식 균열(Cl-SCC)로, 뜨겁고 습하며 염소 처리된 조건이 약 60°C를 초과할 때 오스테나이트계 스테인리스강(304/316)을 괴롭히는 현상입니다. 이 합금은 적당한 인장 응력 하에서 결정립 경계를 따라 균열이 발생합니다. C276은 오스테나이트임에도 불구하고 니켈 함량(약 57%)이 메커니즘을 방해하기 때문에 이러한 방식으로 균열이 발생하지 않습니다. - Ni가 약 40-45% 이상인 니켈 합금은 일반적으로 Cl-SCC에 면역입니다.

두 번째는 H2S 서비스의 전형적인 탄소-강 킬러인 황화물 응력 균열(SSC)입니다. H2S 부식으로 인한 원자 수소가 강철에 침투하여 단단한 영역에 모이고 인장 응력 하에서 갑작스러운 취성 파괴를 일으킵니다. C276은 극도로 균질하고, 용액-어닐링 시 단단한 상이 없으며, 니켈 매트릭스가 몸체-중심 입방강처럼 부서지지 않기 때문에 이에 저항합니다. 사워 가스, FGD 및 화학 플랜트 전반에 걸친 현장 경험을 통해 SCC 고장 없이 C276 서비스 수명이 20~30년임을 확인했습니다.

NACE MR0175/ISO 15156은 C276에 대해 무엇을 말합니까?

NACE MR0175/ISO 15156 3부에는 UNS N10276(Hastelloy C276)이 용액-어닐링 조건에서 신맛 처리에 허용되는 내식성 합금(CRA)으로 나열되어 있으며 최대 경도는 35HRC이고 최대 냉간 가공률은 20%입니다. - 이는 C276이 가장 공격적인 H2S+에 대해 지정될 수 있음을 의미합니다. 탄소강과 저합금강을 결합하는 환경 균열 제한이 없는 CO2 + 염화물 환경.

NACE MR0175 / ISO 15156은 산성(H2S{3}}함유) 서비스에서 석유 및 가스 생산에 허용되는 재료와 환경 제한을 정의하는 글로벌 표준입니다. 3부에서는 니켈-계 합금을 포함한 내부식성 합금(CRA)에 대해 다룹니다. 그 안에서 C276은 합금이 본질적으로 저항성이 있기 때문에 H2S 부분 압력과 관련된 SSC/SOHIC 환경 균열 제한이 없는 CRA로 인증되었습니다.

표준에서는 두 가지 재료{0}}상태 제어를 요구합니다. 즉, 경도는 35 HRC를 초과해서는 안 되며(경질 단계가 없도록 하기 위해) 냉간 가공은 20%를 초과해서는 안 됩니다(냉간 가공은 경도를 높이고 잔류 응력을 유발할 수 있음). 이러한 한계는 일반적으로 경도가 85-95 HRB(대략 15-20 HRC에 해당)인 용액-어닐링된 C276에 의해 쉽게 충족됩니다. 실질적인 의미: 엔지니어는 제조 제어(어닐링, 저온 가공, 금지된 PWHT 없음)를 준수하는 경우 탄소강에 필요한 정교한 환경 균열 계산 없이 사워 가스 유정, 유동선 또는 분리기에 대해 C276을 지정할 수 있습니다.

표 1. C276에 대한 NACE MR0175/ISO 15156-3 요구 사항(UNS N10276)

출처: NACE MR0175 / ISO 15156-3(2020년판); 니켈 기반 합금을 다루는 부록.

오스테나이트계 스테인리스강은 깨지지만 C276은 깨지지 않는 이유는 무엇입니까?

316L과 같은 오스테나이트계 스테인리스강은 철-크롬 매트릭스가 염화물 응력 부식 균열에 취약한 반면, C276의 니켈-주 매트릭스(약 57% Ni)는 염화물 SCC와 수소-유발 SSC-에 야금학적으로 면역성이 있기 때문에 약 60°C 이상에서 산성 염화물에서 균열이 발생합니다. 따라서 316L을 파괴하는 파손 메커니즘은 단순히 내부로 전파될 수 없습니다. C276.

차이점을 이해하려면 두 메커니즘을 비교하십시오. 스테인리스강의 염화물 SCC에는 세 가지 조건이 필요합니다. 즉 민감한 미세 구조(민감화 또는 냉간 가공된 오스테나이트), 인장 응력, 온도 임계값을 초과하는 염화물(일반적으로 316L의 경우 약 60°C로 언급되며 높은 염화물 또는 낮은 pH로 더 낮음)입니다. 균열은 구덩이 또는 틈새에서 핵생성되어 입계로 전파됩니다. C276에는 철이 약 5{11}}7%, 크롬이 16%, 니켈이 57% 포함되어 있습니다. 대략 40-45% 이상의 Ni를 함유한 니켈 합금은 동일한 방식으로 Cl-SCC를 나타내지 않으며, 특히 C276은 SCC 없이 뜨거운 염소화 및 산성 환경에서 오랜 사용 기록을 가지고 있습니다.

수소-유발 SSC의 경우 탄소강과 저합금강은 흡수된 수소가 단단한 마르텐사이트나 결정립 경계에 모이기 때문에 실패합니다. 단상-면-중심 입방 니켈 고용체인 C276은 이러한 단단한-트랩이 없으며 취화 없이 수소를 흡수/운반합니다. 순 효과: 설계자가 신맛, 염소 처리된 따뜻한 서비스를 위해 316L과 C276 중에서 선택해야 하는 경우 C276은 단순히 임계값을 높이는 것이 아니라 SCC 오류 모드를 완전히 제거합니다.

표 2. SCC 동작 비교: Sour 서비스의 316L과 C276

출처: NACE MR0175; SCC 임계값 참조(예: 재료 성능 보고서) 합금 데이터시트.

C276은 사워 가스의 다른 CRA와 어떻게 비교됩니까?

산성 가스용 내부식성-합금 중에서 C276은 심각한 환원, 높은-염화물, 높은-H2S 흐름을 위한 보수적인 최상위 선택입니다. Inconel 625는 산화-염화물 및 더 높은-강도 요구 사항을 다루고, 합금 825는 중간 정도의 신맛을 다루고, 904L/316L은 저염화물, 낮은-H2S 함량-으로 제한되므로 환경이 하위 계층 합금에 너무 공격적일 때 C276이 선택됩니다.

CRA 중에서 선택하는 것은 부식-포락선 결정입니다. 특히 산성 가스의 경우: 316L 및 904L은 염화물 SCC 및 염화물 피팅(PREN은 각각 23-26 및 33-36임)에 의해 제한되므로 염화물 및 H2S가 낮은 경우에만 사용됩니다. 합금 825(PREN 약 30)는 적당한 신맛과 황산을 처리하지만 염화물 함량이 높은 곳에는 이상적이지 않습니다.

인코넬 625(PREN 약 51)는 산성 서비스와 같은 산화-염화물 및 해수-에 탁월하고 더 높은 강도를 제공하지만 산과 H2S를 강력하게 환원시키는 경우 C276(15-17% Mo로 인해 PREN 약 68)이 우수합니다. C22(PREN 약 65)는 C276과 매우 유사하며 산화성 혼합 산이 지배적인 경우에 자주 사용됩니다. 순수한 신맛/감소 우위의 경우 C276이 벤치마크입니다. 아래 표는 각 합금을 신맛 서비스 범위에 매핑하므로 설계자는 화학적으로 실제로 필요한 경우에만 더 저렴한 대안 대신 C276을 선택하는 것을 정당화할 수 있습니다.

표 3. 산성 가스 서비스를 위한 CRA 선택

출처: NACE MR0175 합금 테이블; 공칭 화학으로부터 계산된 PREN; CRA 선택 가이드.

Sour 서비스에서 C276의 환경적 작동 한계는 무엇입니까?

C276은 NACE MR0175에서 환경 균열 제한이 없는 CRA 자격을 얻었기 때문에 사워 가스에서의 작동 경계는 일반 및 국부 부식에 의해 설정됩니다(SCC가 아님). - 일반적으로 산성 수성 서비스에서는 약 190~230°C, 건조 사워 가스에서는 약 400~450°C까지 수행됩니다. 이는 탄소강이 SSC에 의해 파손되는 온도 범위를 훨씬 넘어서는 것입니다.

탄소강 및 저합금강의 경우{0}} NACE MR0175는 H2S 부분압, pH 및 염화물('환경 균열' 범위)을 기준으로 엄격한 제한을 적용합니다. C276은 CRA로서 SSC/SOHIC 제한에서 제외되므로 실제 제한은 부식 속도가 됩니다.

수성 산성 서비스(H2S, CO2, 염화물로 생성된 물)에서 C276은 수동적 상태를 유지하며 약 190-230°C까지 연간 0.1mm 미만으로 부식되며, 그 이상에서는 강산의 일반적인 부식이 증가할 수 있습니다. 건조 또는 비수성 사워 가스(자유수 없음)에서 C276은 훨씬 더 높은 온도에서 사용할 수 있으며, 합금의 높은-온도 한계는 산화/황화 저항성에 따라 결정됩니다. - 황 함유 환경에서는 약 400-450°C(공기 제한 서비스에서는 최대 약 650°C)입니다.

설계 포인트는 다음과 같습니다: 산성 시스템의 습하고 염소 처리된 높은-H2S 영역에 대해 C276을 지정합니다. 건조하고 더 뜨거운 상류 부분의 경우 저합금 또는 C276이 모두 작동할 수 있지만 C276은 여유를 제공합니다. 부식 데이터 또는 테스트를 통해 특정 산 농도 및 염화물 수준에 대한 온도 한계를 항상 확인해야 합니다.

표 4. 신맛 서비스의 C276 작동 범위 표시

출처: NACE MR0175 CRA 봉투; Haynes C276 부식 데이터; 석유 및 가스 재료 지침.

신맛 서비스의 C276에는 어떤 경도 및 냉간 작업 관리가 적용되나요?

NACE MR0175 규정을 준수하려면 C276은 경도가 35HRC 미만이고 총 냉간 가공이 20% 미만인 용액{2}}어닐링 조건으로 공급되어야 합니다. 이러한 제어는 이론적으로 합금의 본질적인 SSC 내성을 손상시킬 수 있는 단단한 상 형성과 잔류 응력을 방지합니다.

C276은 본질적으로 SSC-면역성을 갖고 있지만 제조 과정에서 실수로 하드 존이나 잔류 응력이 발생할 수 있기 때문에 NACE는 여전히 경도와 콜드워크 캡을 적용합니다. 35 HRC 한도는 쉽게 충족됩니다. 용액-어닐링 C276은 일반적으로 85-95 HRB를 측정하며 이는 대략 15-20 HRC로 변환됩니다. 이는 한도보다 훨씬 낮습니다. 20% 이상의 냉간 가공은 경도를 높이고 인장 잔류 응력을 유발하므로 한계가 있습니다. 20%를 초과하는 성형 후에는 규정 준수를 복원하기 위해 전체 솔루션 어닐링이 이루어져야 합니다.

용접은 특별한 경우입니다. C276은 민감성에 영향을 받지 않기 때문에 -용접된 영역은 PWHT 없이 허용되지만 용접 용착 경도도 35 HRC 미만으로 확인되어야 합니다(ERNiCrMo-4/10 용착은 일반적으로 85-95 HRB 범위에 있음). 조달 및 제조 사양은 NACE MR0175를 명시적으로 참조해야 하며 모재와 용접 모두에 대한 경도 테스트를 요구하고 재어닐링하지 않는 한 20%를 초과하는 냉간 가공을 금지해야 합니다.

표 5. 경도 및 저온-작업 규정 준수 체크리스트

출처: NACE MR0175/ISO 15156-3; ASME 섹션 IX; 제조 품질 계획.

산성 가스 서비스를 위해 C276을 어떻게 용접합니까?

사워 가스용 C276은 ERNiCrMo-4 또는 ERNiCrMo-10 필러, 엄격한 아르곤 백킹 퍼지(O2 50ppm 미만), 열 입력 0.5-1.5kJ/mm, 인터패스 93°C 미만, 용접 후 열처리 없음으로 용접되며, 완성된 용접은 NACE를 유지하기 위해 35HRC 미만의 경도 검증을 거쳐야 합니다. MR0175 준수.

Sour 서비스를 위한 용접 C276은 일반 C276 용접과 동일한 엄격한 절차를 따르며 규정 준수 여부를 입증하기 위한 경도 조사 요구 사항이 추가됩니다. 필러(ERNiCrMo-4 또는 ERNiCrMo-10)는 본질적으로 SSC 저항성을 갖고 35HRC 미만으로 측정되는 용접 금속을 용착하므로 PWHT가 필요하지 않습니다. 이는 600~1150°C 범위의 PWHT가 어쨌든 금지되기 때문에 다행스러운 일입니다(합금을 부서지게 할 수 있음). 아르곤 백킹 퍼지(50ppm 미만의 O2)는 신맛이 나는 서비스에서 부식 시작 지점을 생성할 수 있는 산화로부터 뿌리를 보호합니다.

열 입력 제어는 금속간 석출을 방지합니다. 용접 후 PT(표면 균열)와 RT/UT(내부 건전성), 용접 캡의 경도 검사 및 HAZ를 통해 접합부가 NACE를 충족하는지 확인합니다. 라인파이프 또는 플로우라인 용접의 경우 NACE 승인을 받은 ASME 섹션 IX에 따른 자격을 갖춘 WPS가 필수이며 용접 절차 자격 기록(WPQR)에 경도 결과를 문서화해야 합니다.

표 6. C276 Sour-서비스 용접 매개변수

출처: ASME 섹션 IX; NACE MR0175; Haynes C276 용접 가이드 H-2002.

사례 연구: 산성 가스 흐름선 - 316L 오류가 C276으로 대체됨

원래 316L에 지정된 산성 가스 흐름선은 따뜻하고 고{2}}염화물, 고{3}}H2S 서비스에서 14개월 후 염화물 응력 부식 균열로 인해 고장났습니다. 영향을 받은 스풀을 Hastelloy C276(UNS N10276)으로 교체하여 SCC 고장 모드를 제거했으며 9년 넘게 사고 없이 작동했습니다.

현장에서는 약 75~90°C의 유동선 온도에서 약 3-5% H2S, 8-10% CO2, 생성된 물에 염화물 30,000~60,000ppm이 포함된 습식 사워 가스가 생성되었습니다. 원래 316L 스풀은 종이에 대한 NACE MR0175 환경 제한 내에도 불구하고 용접부에서 입계 염화물 SCC로 인해 실패했습니다. 단 14개월 만에 열 영향 구역을 폐쇄하여 누출을 억제하고 비용이 많이 드는 폐쇄를 초래했습니다. 야금학적 조사를 통해 구덩이에서 발생하는 고전적인 Cl-SCC가 확인되었습니다.

작업자는 ERNiCrMo-10 용접 필러와 전체 NACE{15}}호환 제작을 통해 어닐링된 솔루션-C276(UNS N10276)에서 오류가 발생하기 쉬운-스풀(및 여러 유사한 위치)을 다시 지정했습니다. 설치 이후 C276 스풀은 SCC나 누출이 없고 초음파 모니터링에서 연간 0.05mm 미만의 부식률 없이 9년 넘게 서비스를 축적해 왔습니다. 재료 프리미엄(kg당 316L 비용의 약 12-16배인 C276)은 반복적인 가동 중단과 산성 가스 방출로 인한 안전 위험을 방지함으로써 정당화되었습니다.

출처: 운영자 실패 조사 보고서(익명화); JN Alloy Sour-서비스 사례 아카이브.

C276은 Sour 서비스에 대한 인증 및 검사를 어떻게 받나요?

C276 Sour{1}}서비스 인증은 NACE MR0175 재료 조건(용액-어닐링, < 35 HRC, < 20% 냉간 가공)과 PMI, 경도 테스트 및 NDT가 지원하는 ASME 섹션 IX에 따른 표준 용접 인증 확인에 의존합니다. NACE TM0177에 따른 공식 SSC 테스트는 선택 사항이지만 중요한 서비스를 위해 요청할 수 있습니다.

C276은 이미 적격 CRA로 등록되어 있으므로 대부분의 프로젝트는 조달 사양에서 요구하지 않는 한{1}}SSC 실험실 테스트(NACE TM0177 방법 A/B)를 다시 실행하지 않습니다. 정규 적격성 평가 경로는 다음과 같습니다. (1) UNS N10276 화학 및 용액-어닐링 조건을 확인하는 공장 인증서(EN 10204 3.1/3.2) (2) 베이스와 용접부의 경도 테스트에서 35HRC 미만이 확인되었습니다. (3) 모든 길이와 용접 침전물에서 올바른 합금을 확인하는 PMI; (4) ASME 섹션 IX에 따른 WPS/WPQ; (5) 준거법에 따른 NDT(PT, RT/UT).

중요하거나 높은-H2S(예: 클래스 3) 서비스의 경우 구매자는 표준 H2S 솔루션에서 부하 상태에서 720시간 후에도 균열이 없음을 확인하는 TM0177 SSC 테스트 쿠폰이 필요할 수 있습니다. - C276은 이를 쉽게 통과합니다. 문서 패키지는 장비 파일에 대한 NACE MR0175 규정 준수의 증거가 됩니다.

표 7. Sour-서비스 자격 및 검사

출처: NACE MR0175; NACE TM0177; ASME 섹션 IX / VIII; 제조 QC 계획.

자주 묻는 질문: C276 및 산성 가스

Q: Hastelloy C276은 NACE MR0175 사워 서비스에 대해 승인을 받았습니까?

답: 그렇습니다. UNS N10276(Hastelloy C276)은 NACE MR0175/ISO 15156 Part 3에서 용체화-어닐링 조건의 신맛 처리에 허용되는 내부식성 합금(CRA)으로 등재되어 있습니다. 본질적으로 저항성이 있기 때문에 H2S 분압과 관련된 환경 균열(SSC/SOHIC) 제한이 없습니다. 규정을 준수하려면 35HRC 미만의 경도와 20% 미만의 냉간 가공이 필요하며 600~1150°C 범위에서 용접 후 열처리가 필요하지 않습니다.

Q: 스테인리스강은 황화물 응력 균열에 저항하지 않는데 왜 C276은 황화물 응력 균열에 저항합니까?

A: C276의 높은 니켈 함량(약 57%)으로 인해 매트릭스가 염화물 응력 부식 균열과 수소-유발 황화물 응력 균열(SSC) 모두에 면역이 됩니다. 316L과 같은 오스테나이트 스테인리스강은 약 60°C 이상의 염화물 SCC에 의해 균열이 발생하고 신맛이 나는 환경에서 부서질 수 있는 반면, C276의 단일-니켈 고용체는 이러한 메커니즘을 지원하지 않습니다. 현장 측면에서 C276은 단순히 임계값을 높이는 것이 아니라 SCC 오류 모드를 제거합니다.

Q: C276을 고-H2S, 고-염화물 사워 가스에 사용할 수 있나요?

답: 그렇습니다. C276은 특히 316L, 904L 및 합금 825가 제한되거나 실패할 수 있는 가장 공격적인 신맛, 염소화, 환원 환경 - 높은 H2S 분압, 높은 염화물 생성수 및 낮은 pH -에 적합합니다. 약 68의 PREN과 높은 몰리브덴 함량은 염화물 저항성과 SSC에 대한 내성을 모두 제공합니다. 작동 한계는 환경 균열이 아닌 일반적인 부식(습윤 사워 서비스에서 대략 190-230°C까지)에 의해 설정됩니다.

Q: C276은 사워 서비스를 위해 -용접 후 열처리가 필요합니까?

A: 아니요. C276은 600-1150°C 범위에서 용접 후 열처리하면 안 됩니다. 왜냐하면 취약한 금속간 석출을 유발할 수 있기 때문입니다. 용접된 상태는 부식 및 SCC 저항에 이미 최적이며 NACE MR0175는 용접된 상태의 조인트를 허용합니다.{10}} 유일한 요구 사항은 35 HRC 미만의 용착 경도를 확인하고 NACE 준수 용접(ERNiCrMo-4/10 필러, 아르곤 퍼지, 열 입력 제어)을 사용하는 것입니다.

Q: C276은 사워 가스용 Inconel 625와 어떻게 비교됩니까?

A: 둘 다 신맛이 나는 서비스에 대한 탁월한 CRA입니다. C276(PREN 약 68, 더 높은 몰리브덴)은 강력한 환원성, 고{3}}염화물, 고{4}}H2S 산성 환경에서 탁월한 반면, Inconel 625(PREN 약 51)는 산화-염화물 및 해수-와 같은 산성 서비스에 탁월하고 더 높은 강도를 제공합니다. C276은 -산성-이 지배적인 신 스트림을 줄이기 위한 벤치마크입니다. 625는 더 높은 기계적 강도나 산화 ​​염화물 저항성이 우선시되는 경우에 종종 선택됩니다.

Q: 사워 서비스에서 316L보다 C276을 사용하는 경우 비용 프리미엄은 얼마나 됩니까?

A: C276의 가격은 316L 스테인리스 스틸보다 킬로그램당 약 12~16배 더 비쌉니다. 그러나 1-2년 이내에 염화물 SCC로 인해 316L이 고장나는 산성 염소 처리 서비스에서 C276은 20~30년의 서비스 수명을 제공하여 가동 중단, 누출 위험 및 반복 교체를 제거합니다. 수명주기 비용 분석은 일반적으로 임계 신맛 영역에 대해 C276을 선호하고 시스템의 중요하지 않은 부분에 더 낮은 합금을 예약합니다.