Incoloy 825 신 가스 부식: H2S 서비스의 염화물 응력 부식 균열 저항

인코로이 825(UNS N08825, W.Nr. 2.4858)은 ​​몰리브덴과 구리를 함유한 티타늄-안정화 니켈-철-크롬 합금으로, 사워 가스(H2S) 생산에 가장 널리 사용되는 내식성 합금(CRA) 중 하나입니다. 니켈 함량이 38~46%로 CSCC(염화물 응력 부식 균열) 민감성 범위를 훨씬 초과하며 NACE MR0175/ISO 15156-3에 따라 최대 경도 35HRC의 내균열성 사워 서비스에 대한 인증을 받았습니다.

이 문서에서는 엔지니어와 조달 팀이 가장 많이 묻는 질문에 대한 답변을 제공합니다. Incoloy 825가 이에 저항하는 이유, Incoloy 825가 이에 저항하는 이유, 실제 한계가 있는 316L, 904L, Alloy 625 및 C-276과 비교하는 방법, H2S 서비스를 위해 선택, 용접 및 검증하는 방법. 모든 정량적 설명은 참고 자료 섹션에 나열된 표준 및 제조업체 소스를 추적할 수 있습니다.

Incoloy 825 개요

아래 표에는 이 기사에서 자세히 전개한 답변이 요약되어 있습니다. 각 행을 독립적으로 추출하여 인용할 수 있도록 형식화되었습니다.

Incoloy 825는 무엇이며 왜 산성 가스 서비스에 지정됩니까?

Incoloy 825(UNS N08825)는 몰리브덴과 구리를 함유한 티타늄{2}}안정화 니켈-철-크롬 합금으로, 환원산, 산화 매체, 뜨거운 염화물 및 H2S의 결합된 공격에 저항하도록 설계되었습니다. 단일 등급이 합금 625 또는 C-276과 같은 고급 니켈 합금보다 훨씬 낮은 비용으로 염화물 SCC 저항성, 황화물 응력 균열(SSC) 저항성, 공식 저항성 및 용접성을 제공하기 때문에 이는 사워 가스 생산의 주력 CRA입니다.

Incoloy 825는 Ni-Cr-Mo 계열이 아닌 Ni-Fe-Cr 계열에 속하므로 이것이 경제적입니다. 철은 매트릭스의 최소 22%를 구성합니다. 표 2에 요약된 것처럼 각각의 의도적인 추가에는 특정 부식 작업이 있습니다.

표 2. Incoloy 825(UNS N08825)의 공칭 구성 및 부식 기능.

합금은 파이프(ASTM B423), 플레이트/시트/스트립(B424), 바(B425), 콘덴서 튜브(B163) 및 단조품(B564)과 같은 용액{0}}어닐링 상태로 공급됩니다. 미세 구조가 완전히 오스테나이트이고 안정적이기 때문에 Incoloy 825는 우수한 인성을 유지하고 용접이 용이합니다. 이것이 석유 및 가스, 화학 처리 및 오염 제어에 대한 거의 모든 부식-저항성 비교에 나타나는 이유입니다.

염화물 응력 부식 균열이란 무엇이며 사워 우물의 스테인레스 스틸을 파괴하는 이유는 무엇입니까?

염화물 응력 부식 균열(CSCC)은 세 가지 동시 조건 - 인장 응력, 염화물 이온 및 약 60도(화씨 140도)를 초과하는 온도-가 동시에 필요한 오스테나이트계 스테인리스 강의 갑작스럽고 부서지기 쉬운 균열-이며, 항복 강도보다 훨씬 낮은 응력에서 구성 요소를 파손시킬 수 있으며 종종 눈에 띄는 일반적인 부식이 거의 없습니다.

CSCC에는 세 가지 조건이 동시에 필요합니다. (1) 압력이나 자중에 의해 가해지는 인장응력-, 용접, 성형, 냉간가공에 의해 남는 잔류응력. (2) 생산된 염수, 완성 유체 및 대부분의 공정 흐름에 존재하는 염화물 이온-. (3) 온도 - 균열은 약 60도 이상에서 가속됩니다. 세 개 중 하나를 제거하면 메커니즘이 중지됩니다.

순서는 잘 이해됩니다. 패시브 필름은 용접 토우, 스크래치 또는 기존 피트와 같은 응력 증가 요인에서 국부적으로 분해됩니다.- 염화물 이온은 틈새로 이동하고 금속 양이온의 가수분해는 폐쇄된 세포를 산성화하여 국지적 pH를 낮추게 됩니다. 주변 금속이 음극으로 작용하는 동안 양극 용해는 균열 끝에서 진행되고 인장 응력은 끝 부분에 집중되어 오스테나이트 격자를 통해 입계 균열을 유발합니다. 벽이 크게 얇아지지 않고 균열이 커지기 때문에 파손은 갑작스럽고 재앙적일 수 있습니다.

산성 가스정은 CSCC에게 완벽한 폭풍입니다. 생산된 물은 뜨거운 염화물 염수입니다. H2S와 CO2는 염수를 산성화합니다. 수원 및 하향공 온도는 일반적으로 60도에서 150도 사이입니다. 제어 재료 변수는 니켈 함량입니다. 그림 1의 Copson-곡선 개념에서 알 수 있듯이 염화물 SCC 민감도는 정확히 304/316 스테인리스 계열이 있는 - 니켈 8~12% 범위 -에서 최고조에 이르고 니켈이 대략 20~30%를 초과하면 급격하게 떨어집니다. 이 단일 관계는 뜨거운 염화물 서비스에서 316L이 균열이 발생하는 반면 더 높은-니켈 합금은 균열이 발생하지 않는 이유를 설명합니다.

그림 1. 도식적 - 염화물 SCC 민감도 대 니켈 함량(Copson-곡선 개념). 확장할 수 없습니다. 질적 관계. Incoloy 825(38-46% Ni)는 균열 범위를 훨씬 뛰어넘습니다.

Incoloy 825는 염화물 응력 부식 균열에 강합니까?

예. 38~46% 니켈을 함유한 Incoloy 825는 염화물 SCC 민감성 범위를 훨씬 상회하며 실제 H2S 서비스에서 염화물 SCC에 효과적으로 면역되는 것으로 널리 알려져 있습니다. 끓는점 염화마그네슘 테스트(ASTM G36)에서는 316L이 몇 시간 내에 파손되는 경우 균열-이 없는 상태로 유지됩니다.

세 가지 메커니즘이 함께 작동합니다. 첫째, 니켈 효과: 니켈을 증가시키면 오스테나이트의 적층 결함 에너지가 증가하므로 패시브 필름을 파열시키고 핵 균열을 발생시키는 지속적인 슬립 밴드를 형성하는 대신 전위가 쉽게 교차-미끄러지고 소성 변형이 균일하게 퍼집니다. 업계 및 연구 합의에 따르면 광범위한 저항 임계값은 Ni 20~30%에 가깝습니다. Ni가 38~46%인 Incoloy 825는 그보다 큰 안전 여유를 가지고 있습니다.

둘째, 몰리브덴 효과: PREN ≒ 31을 사용하는 Incoloy 825는 316L(PREN ≒ 25)보다 피트 시작을 훨씬 더 잘 억제합니다. 피트는 염화물 환경을 SCC 이벤트로 전환하는 응력 집중 장치이므로 피팅 저항과 SCC 저항은 실제로 분리될 수 없습니다. 셋째, 티타늄 안정화는 용접 열 영향-의 결정립 경계에서 크롬-탄화물 석출을 방지하므로 합금은 용접 상태에서 입계 SCC 경로를 생성하는 민감화된 미세 구조를 방지합니다.-

한 가지 주의할 점은 어떤 합금도 완전히 면역되지 않는다는 것입니다. 극도로 가혹한 끓는점 염화마그네슘 테스트에서 - 현장 서비스보다 훨씬 더 가혹한 의도적으로 공격적인 실험실 환경 - 심지어 Incoloy 825도 장기간 노출되면 깨질 수 있습니다. 따라서 엔지니어는 단일 실험실 테스트에 의존하지 않고 실제 서비스 환경에 대한 자격을 갖추게 됩니다.

Incoloy 825는 황화물 응력 균열 및 H2S 공격에 어떻게 저항합니까?

Incoloy 825는 NACE MR0175/ISO 15156-3에서 내균열성-유형 4c CRA로 신맛 처리에 적합하며 경도가 35HRC 이하인 경우 황화물 응력 균열(SSC) 및 수소-유발 균열(HIC)에 저항합니다. 유형 4c 분류에는 약 132도(270도 F) 미만에서 H2S 부분 압력 상한 제한이 없습니다.

황화물 응력 균열은 수소 취화 현상입니다. 산성 환경에서 H2S는 강철 표면에서 원자 수소의 재결합을 "중독"시키므로 원자 수소가 금속으로 확산되어 마르텐사이트 및 베이나이트와 같이 단단하거나 수소{1}}민감한 상을 포함하는 미세 구조를 취약하게 만듭니다. Incoloy 825는 설계상 문제를 방지합니다. 완전 오스테나이트, 고{4}}니켈 FCC 격자는 안정적이고 수소-민감한 변환 생성물을 포함하지 않으며 페라이트 또는 마르텐사이트 구조보다 흡수된 수소에 훨씬 더 잘 견딥니다.

NACE MR0175/ISO 15156(현재 버전 ISO 15156-3:2020)은 석유 및 가스 생산을 포함하는 H2S-재료에 대한 관리 표준입니다. Incoloy 825는 Part 3의 승인된 CRA 표(예: 현재 버전의 표 A.14)에서 Type 4c 합금으로 분류됩니다. 적격 조건은 해당 사양에 따라 제조된 제품 형태, 용액-어닐링 조건 및 35 HRC의 최대 경도입니다(일부 냉간 가공된 고강도-강도 제품 형태에는 더 낮은 한계가 있습니다(예: 33 HRC). 유형 4c 분류의 경우 화씨 270도(132도) 미만에서는 H2S 부분 압력 제한이 없으며 합금은 화씨 350도(177도)에서 최대 200psi H2S까지 자격을 유지합니다.

이 표준은 모든 형태의 부식이 아닌 균열을 관리합니다. 엔지니어는 전체 환경 - 현장 pH, 염화물 농도, 온도, 원소 황 및 산소 유입 -을 평가해야 합니다. 왜냐하면 일반 부식 및 공식은 SSC 목록만으로는 관리되지 않고 재료 화학 및 공정 제어에 의해 관리되기 때문입니다.

Incoloy 825는 316L, 904L, 합금 625 및 C-276과 어떻게 비교됩니까?

뜨거운 염화물이 포함된 중간 정도의 산성 가스의 경우 Incoloy 825가 비용-성능 최적 지점입니다. 비슷한 가격대의 염화물 SCC 저항성 및 산성도{4}}서비스 자격에서 316L 및 904L보다 훨씬 뛰어난 반면, Alloy 625 및 C-276은 온도, 염화물 또는 H2S 심각도가 825의 실제 범위를 초과하는 경우에만 정당화됩니다.

표 3은 엔지니어가 신맛과 염화물 서비스에 대해 가장 자주 평가하는 5가지 후보를 비교합니다.

표 3. 신-서비스 합금 비교(명목 값, 비용 등급은 지표이며 시장에 따라 다름)-

테이블 읽기는 니켈로 시작됩니다. 10~14% Ni에서 316L은 Copson 곡선의 가장 나쁜 부분 내에 위치하므로 뜨거운 염화물 서비스에서 균열이 발생합니다. - ISO 15156-3 포락선이 좁습니다(용액-어닐링만, 최대 경도는 약 22HRC, 낮은 염화물 및 온도 제한).. 904L은 니켈을 23~28%로 높이고 SCC 저항성을 향상시키지만 여전히 스테인리스강입니다. 광범위한 저항 임계값보다 낮으며 동일한 유형의 경도 제한이 적용됩니다.

38~46% Ni의 Incoloy 825는 균열 범위보다 높은 마진을 가진 최초의 제품군 수준이며, 35 HRC 경도 상한선을 갖춘 Type 4c CRA로 인증된 철-이 풍부한 3개 등급 중 유일한 등급입니다. 합금 625(PREN ≒ 52, ASTM G150에 따라 1M NaCl에서 80도 이상의 임계 피팅 온도) 및 C-276(PREN ≒ 69)은 훨씬 더 높은 비용으로 훨씬 더 높은 피팅 및 틈새 저항을 구입합니다. 825의 봉투가 초과되면 가격을 얻습니다. Incoloy 825의 PREN ≒ 31은 904L의 -에 가깝습니다. 이 제품의 장점은 구멍이 아닌 SCC 및 SSC 저항과 신맛 서비스 자격입니다.

그림 2. 신-서비스 합금 후보의 니켈 함량 및 공식 저항(PREN)(공칭 조성 값; PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N).

Incoloy 825는 산성 가스 및 염화물-풍부한 서비스에 어디에 사용됩니까?

Incoloy 825는 H2S가 뜨거운 염화물 염수를 만나는 곳마다 지정됩니다. 즉, 산성 가스정의 다운홀 배관 및 케이싱, 산성 가스 유정, 산성 흐름선 및 수집 시스템, 유정 및 표면 장비, 생산된-물 및 화학물질-주입 라인, 열 교환기-는 황산, 인산 및 혼합산을 처리하는 화학 공장에서도 동일하게 사용됩니다.

표 4에는 주요 적용 분야와 각 분야에서 요구되는 부식 작업이 요약되어 있습니다.

표 4. 사워 가스 및 염화물이 풍부한 서비스에 사용되는 대표적인 Incoloy 825 애플리케이션.

H2S 서비스에서 Incoloy 825의 실제 한계는 무엇입니까?

실제 선택 규칙에 따라 Incoloy 825는 H2S 분압이 약 0.1MPa(15psi) 미만, 온도가 약 150도 미만, 염화물이 약 20,000ppm 미만인 신맛 서비스에 적합합니다. 해당 엔벨로프 -를 초과하거나 pH가 ~3.5 미만으로 떨어지면 산소 유입이 발생하거나 HPHT 조건이 적용됩니다. - 엔지니어는 합금 625, C-276 또는 이와 동등한 고급 합금 등급을 적용합니다.

ISO 15156-3 Type 4c 분류는 균열 경계를 정의합니다. 위의 실제 범위는 사워 유정에서 Incoloy 825에 대해 널리 사용되는 업계 배포 지침을 반영하며 출발점이지 프로젝트별 평가를 대체하지 않습니다.

물리적인 이유로 한계가 존재합니다. PREN ≒ 31 캡은 고온에서 구멍 및 틈새 저항성을 가지며, 구멍은 염화물 SCC의 전구체입니다. 온도가 올라가면 패시브 필름의 보호 기능이 약해지고 염화물이 더욱 공격적으로 변합니다. H2S 부분압과 염화물 농도가 함께 상승하면 피트-에서-균열로의 전이와 일반적인 부식(황 침전 포함)의 위험이 증가합니다. 산소 유입이나 ~3.5 미만의 pH와 같은 요소는 안전 창을 더욱 좁힙니다. 이것이 바로 합금 625 또는 C-276의 더 높은 몰리브덴이 비용 프리미엄을 얻는 상황입니다.

Incoloy 825에서 Alloy 625 또는 C-276으로의 일반적인 업그레이드 트리거는 다음과 같습니다.

• 온도 -~150도 이상의 지속적인 작동 온도.
• 염화물 -온도 상승과 결합하여 ~20,000ppm 이상의 염화물 농도.
• H2S 심각도 -자유수 포함 ~0.1 MPa(15 psi) 이상의 H2S 부분압.
• pH --~3.5 미만의 현장 pH 또는 낮은-pH 응축상.
• 산화 조건 -수동성을 무너뜨리는 산소 유입 또는 폭기 시스템.
• 극한의 서비스 -HPHT 유정, 원소-황 퇴적 또는 반복적인 폐쇄-/시작-주기.

Incoloy 825는 Sour 서비스를 위해 어떻게 용접 및 제작되어야 합니까?

Incoloy 825는 과합금된 니켈 필러(- 일반적으로 합금 82(ERNiCr-3) 또는 합금 625(ERNiCrMo-3))를 사용하는 일반적인 공정으로 쉽게 용접됩니다. 합금은 티타늄-안정화되어 있으므로 일반적으로 내식성을 회복하기 위해 용접 후 용체화 어닐링이 필요하지 않습니다. Sour 서비스에 대한 중요한 제어는 용접 금속 및 HAZ 경도(35HRC 이하), 표면 청결 및 자격을 갖춘 용접 절차입니다.

티타늄 안정화는 핵심 야금학적 사실입니다. 티타늄은 우선적으로 탄소와 결합하므로 크롬은 용접 열 영향-영향부에서 고용체로 남아 있고 크롬-탄화물 석출(민감화)은 용접된 상태에서-억제됩니다. 따라서 Incoloy 825는 용접 후 불안정한 스테인레스 등급을 괴롭히는 입계 부식 및 SCC 경로를 방지하며, 일반적으로 이러한 안정화된 오스테나이트 등급에는 용접 후 열처리가 필요하지도 권장되지도 않습니다.

필러 선택은 표준 CRA 방식을 따릅니다. 즉, 대부분의 응용 분야에 합금 82(ERNiCr-3)를 사용하거나 최대 부식 여유가 필요한 경우에는 과합금 합금 625(ERNiCrMo-3)를 사용합니다.- 니켈-합금 관행은 - 깨끗하고 황 함량이 낮은 표면 전체에 적용됩니다. 제어된 열 입력 및 층간 온도; 툴링이나 연삭으로 인한 탄소강 오염을 엄격히 방지합니다.

사워-서비스 자격을 얻으려면 모재에 적용되는 것과 동일한 경도 한도가 용접 금속 및 열 영향부에 적용됩니다.{1}} 경도 조사(ASTM E10/E18에 따름)는 표준 승인 단계이며 중요한 프로젝트에서는 NACE TM0177에 따른 SSC 테스트와 ASTM G48에 따른 피팅 인증으로 이를 보완합니다. 제작 후 피킹 또는 패시베이션을 통해 표면 준비가 완료됩니다.

Incoloy 825와 기타 부식-저항성 합금 중에서 어떻게 선택합니까?

적당한 온도와 압력에서 H2S와 염화물이 결합된 환경에서는 Incoloy 825를 선택하십시오. 316L 및 904L을 약하고 낮은{3}}염화물 조건으로 제한합니다. 온도, 염화물 또는 H2S 심각도가 825의 한계를 초과하는 경우 합금 625 또는 C-276으로 전환합니다.

엄격한 선발 과정은 5단계를 따릅니다.

단계 1 -서비스 환경 정의: H2S 및 CO2 분압, 온도,-현장 pH, 염화물 농도, 황 원소, 산소 유입, 수질 차단 및 장애 조건.

단계 2 -표준 확인: 제품 형태 및 용접에 대한 경도 제한을 포함하여 정확한 서비스를 위해 후보가 NACE MR0175/ISO 15156-3의 최신 버전에 나열되어 있는지 확인하십시오.

단계 3 -실패 위험 순위: 염화물 SCC(니켈 함량 대 Copson 곡선), SSC/HIC(경도 및 미세 구조), 공식/틈새 부식(PREN 및 임계 공식 온도).

단계 4 -자재 비용, 제작, 용접 소모품, 검사 및 예상 수명 등 자산 수명에 대한 경제성을 비교합니다. Incoloy 825는 일반적으로 적당한 신맛 서비스를 위한 가치 선택입니다. 염화물과 H2S가 약한 경우에만 듀플렉스 또는 904L; 합금 625 또는 C-276은 가혹한 조건에만 적용됩니다.

단계 5 -데이터로 검증합니다. NACE TM0177(SSC), ASTM G48(피팅), ASTM G36(SCC)과 같은 부식 테스트를 거쳐 최종 조달 전에 자격을 갖춘 부식 엔지니어의 지원을 받습니다.