Xói mòn-Ăn mòn trong đường ống thép không gỉ: Giới hạn vận tốc dòng chảy theo cấp

Xói mòn-Ăn mòn là gì và tại sao vận tốc dòng chảy lại kiểm soát nó?

Xói mòn-ăn mòn là sự mất mát kim loại tăng tốc xảy ra khi chất lỏng chảy về mặt cơ học phá vỡ màng bảo vệ thụ động của thép không gỉ nhanh hơn mức màng có thể cải tạo - và tốc độ dòng chảy là biến số duy nhất quyết định liệu sự gián đoạn đó có xảy ra hay không.

Thép không gỉ và hợp kim nikenchống ăn mòn vì crom (và, ở các cấp cao hơn, molypden và niken) tạo thành một lớp màng oxit thụ động crom-mỏng, tự phục hồi trên bề mặt. Trong điều kiện tĩnh hoặc vận tốc-thấp, mọi hư hỏng cục bộ đối với màng này sẽ phục hồi gần như ngay lập tức. Xói mòn-quá trình ăn mòn bắt đầu khi tốc độ dòng chảy, nhiễu loạn hoặc các hạt bị cuốn theo loại bỏ màng một cách cơ học nhanh hơn phản ứng tái thụ động có thể tạo lại màng. Sau khi kim loại trần tiếp xúc nhiều lần, hợp kim bên dưới sẽ bị ăn mòn với tốc độ cao hơn nhiều so với khi ngâm tĩnh điện - thường tập trung tại các khuỷu tay, chữ T, bộ giảm tốc, mối hàn và dòng chảy của van nơi dòng chảy phân tách hoặc tăng tốc.

Bởi vì cơ chế này là cơ học-điện hóa chứ không phải hoàn toàn là hóa học nên không thể ngăn chặn sự ăn mòn-ăn mòn chỉ bằng cách lựa chọn vật liệu với tốc độ không giới hạn. Mỗi cấp độ đều có vận tốc ngưỡng mà trên đó màng thụ động không thể theo kịp tốc độ loại bỏ cơ học và ngưỡng đó - chứ không phải khả năng chống ăn mòn chung trong thử nghiệm phiếu giảm giá - mới là yếu tố chi phối thiết kế đường ống trong dịch vụ dòng chảy-cao.

Điều gì quyết định liệu một lớp có tốt hơn lớp khác hay không?

Khả năng chống ăn mòn-ăn mòn theo sát với Chỉ số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) của hợp kim - có hàm lượng crom, molypden và nitơ cao hơn tạo ra màng thụ động bền hơn,-chữa lành nhanh hơn, có khả năng chịu được tốc độ dòng chảy cao hơn trước khi hư hỏng vượt quá khả năng sửa chữa.

PREN, được tính bằng %Cr + 3.3×%Mo + 16×%N, được phát triển để xếp hạng khả năng chống rỗ, nhưng nó tương quan chặt chẽ với khả năng chống ăn mòn-xói mòn vì cả hai chế độ hư hỏng đều phụ thuộc vào độ ổn định-thụ động của màng. Các lớp có giá trị PREN cao hơn sẽ cải tạo lớp oxit bảo vệ của chúng nhanh hơn sau khi bị gián đoạn cơ học, cho phép chúng chịu được ứng suất cắt thành cao hơn và năng lượng tác động của hạt-cao hơn trước khi tổn thất kim loại ròng trở nên đáng kể.

Cấu trúc vi mô cũng có vấn đề. Các lớp song công và siêu song công kết hợp các pha austenite và ferit, mang lại cho chúng cường độ năng suất cao hơn các lớp austenit của PREN tương đương - một đặc tính cơ học giúp chống lại các hiệu ứng cắt-làm cứng và vi mô-bề mặt của chất rắn-, không phụ thuộc vào lợi ích thụ động hóa học. Đây là lý do tại sao các loại austenit hai pha thường được chỉ định cho dịch vụ ăn mòn ngay cả khi loại austenit một pha có thể mang lại khả năng chống ăn mòn chung tương đương khi ngâm tĩnh.

Giá trị PREN đại diện theo nhóm lớp

Giá trị PREN là điểm giữa đại diện được tính toán từ thành phần hóa học danh nghĩa trên phạm vi thành phần ASTM A240/A276/A182; xác minh dựa trên Báo cáo thử nghiệm nhà máy (MTR) của nhiệt dung riêng để sử dụng cho dự án.

Giới hạn vận tốc dòng chảy được khuyến nghị cho các loại đường ống thông thường là gì?

Trong dịch vụ sạch,{0}}không có chất rắn, các loại austenit tiêu chuẩn có tốc độ tối đa khoảng 3-5 m/s, song công 2205 mở rộng phạm vi đó lên khoảng 4-8 m/s, các cấp siêu song công và 6Mo đạt 8-12 m/s và các hợp kim niken như Hợp kim 625 được sử dụng đặc biệt khi vận tốc vượt quá mức mà bất kỳ loại không gỉ nào có thể chịu đựng được.

Các phạm vi bên dưới là điểm bắt đầu về mặt kỹ thuật, không phải mức cho phép cố định. Họ tổng hợp phương pháp hệ số C-API RP 14E C (chỉ định hệ số C- cao hơn và do đó vận tốc cho phép cao hơn cho các vật liệu-chống xói mòn tốt hơn) với nghiên cứu ăn mòn-ăn mòn trên từng cấp độ riêng lẻ. Mọi dự án phải xác nhận các giới hạn đối với thành phần chất lỏng, tải chất rắn, nhiệt độ và hình dạng đường ống cụ thể -, hãy xem các phần tiếp theo để biết mỗi biến số sẽ thay đổi số lượng như thế nào.

Các phạm vi được tổng hợp từ khung hệ số xói mòn-tốc độ C{2}}API RP 14E (13Cr không gỉ C≈300; thép không gỉ song công C≈350, trên danh nghĩa là chất rắn-không có), dữ liệu thử nghiệm ăn mòn-được công bố trên 2205 song công trong nước biển chứa nhiều cát- (tốc độ tới hạn ≈4 m/s) và thực hành thiết kế tiêu chuẩn của ngành. Xác nhận dữ liệu trường hoặc vòng lặp-luồng cụ thể-của dự án trước khi hoàn tất việc định cỡ dòng.

Phương pháp hệ số API RP 14E C{1}}áp dụng cho các loại thép không gỉ và song công như thế nào?

Phương trình vận tốc ăn mòn của API RP 14E, Ve=C √ρm, được viết cho thép carbon nhưng thường được mở rộng cho đường ống không gỉ và đường ống song công bằng cách thay thế hệ số C-{3}} cao hơn khoảng 300 cho thép không gỉ 13Cr và 350 cho thép không gỉ song công ở dạng rắn danh nghĩa-dịch vụ miễn phí - làm tăng vận tốc cho phép được tính toán tương ứng với tốc độ lớn hơn của vật liệu xói mòn-khả năng chống ăn mòn.

Trong phương trình API RP 14E ban đầu, Ve là giới hạn vận tốc xói mòn tính bằng ft/s, ρm là mật độ hỗn hợp chất lỏng khí- ở điều kiện dòng chảy tính bằng lb/ft³ và C là hằng số thực nghiệm gắn liền với mức độ nghiêm trọng của vật liệu và dịch vụ. C=100 mặc định của API dành cho dịch vụ thép cacbon-liên tục đã được phát triển thận trọng và đã được chứng minh trong các nghiên cứu thực địa sau này là quá thận trọng đối với nhiều hệ thống sạch, không{5}}được chà nhám. - một số nhà khai thác báo cáo hiệu suất có thể chấp nhận được ở hệ số C-trên 200 sau khi khả năng ức chế ăn mòn và hàm lượng chất rắn được kiểm soát.

Đối với đường ống không gỉ và đường ống song công, thông lệ trong ngành đã tăng hệ số C-cao hơn đáng kể so với đường cơ sở của thép cacbon-để phản ánh ngưỡng ăn mòn-ăn mòn cao hơn: các giá trị khoảng 300 đối với thép không gỉ 13Cr và 350 đối với thép không gỉ song công thường được coi là dịch vụ không có chất rắn{6}}trên danh nghĩa. Vì bản thân API RP 14E không xác định các yếu tố-C cụ thể không gỉ nên những số liệu này hoạt động như hướng dẫn thiết kế được rút ra từ kinh nghiệm của người vận hành và các nghiên cứu bổ sung thay vì là yêu cầu mã bắt buộc - các kỹ sư nên coi chúng như điểm khởi đầu để định cỡ, tùy thuộc vào việc xác minh đối với dịch vụ cụ thể.

Cát hoặc các chất rắn cuốn theo khác có làm thay đổi giới hạn vận tốc không?

Có - hàm lượng chất rắn là yếu tố điều chỉnh lớn nhất về giới hạn vận tốc ăn mòn-và dữ liệu thử nghiệm đã công bố cho thấy ngay cả-loại thụ động tốt như 2205 song công cũng giảm xuống vận tốc tới hạn gần 4 m/s khi cát bị cuốn theo dòng chảy, so với gần gấp đôi vận tốc trong nước biển sạch.

Xói mòn-nghiên cứu ăn mòn trên thép không gỉ song công 2205 trong nước biển chảy với các hạt cát đã xác định được vận tốc tới hạn gần 4 m/s, trên đó, thiệt hại do xói mòn- do ăn mòn tăng mạnh khi tốc độ dòng chảy tăng và sự mất khối lượng tăng nhanh theo hàm lượng cát. Dưới ngưỡng đó, có tác động cơ học từ các hạt nhưng sự ăn mòn-hỗ trợ việc loại bỏ lớp màng thụ động sẽ chiếm ưu thế trong thiệt hại; phía trên nó, cơ chế chuyển sang trạng thái mài mòn- chiếm ưu thế vượt xa quá trình tái thụ động.

Đây là lý do tại sao API RP 14E từ chối cung cấp hệ số C-cố định cho dịch vụ chứa chất rắn-và thay vào đó yêu cầu thử nghiệm-dự án cụ thể. Vận tốc được bảo toàn ở mức vừa phải trong dòng xử lý sạch, đã được lọc có thể vượt qua-ngưỡng ăn mòn-trong dòng nước hoặc bùn được sản xuất-không được lọc bằng cách sử dụng cùng loại ống và độ dày thành ống. Bất kỳ bảng vận tốc nào - bao gồm bảng trong bài viết này - sẽ được coi là không thể áp dụng khi lượng chất rắn nạp vượt quá vài pound trên một nghìn thùng mà không có xác minh cụ thể{10}}của dự án.

Giới hạn vận tốc nên được điều chỉnh như thế nào đối với các điều kiện vận hành cụ thể?

Nồng độ clorua, nhiệt độ và hàm lượng khí hòa tan đều thay đổi giới hạn vận tốc hiệu dụng độc lập với hàm lượng chất rắn, do đó, cùng một loại có thể mang vận tốc cho phép khác nhau khi phun nước biển, nước sản xuất và nước muối địa nhiệt ngay cả khi tải hạt giống hệt nhau.

Nước biển và Clorua-Dịch vụ phong phú

Clorua tấn công màng thụ động trực tiếp thông qua vết rỗ, làm giảm ngưỡng ăn mòn-vì màng đã bị suy yếu trước khi bắt đầu gián đoạn cơ học. Trong nước biển có độ bền-đầy đủ, 316L thường có vận tốc-bị giới hạn thấp hơn nhiều so với mức nước-sạch, đặc biệt là để quản lý rủi ro rỗ và các loại song công hoặc siêu-song công là thông số kỹ thuật mặc định khi hàm lượng clorua hoặc nhiệt độ tăng lên.

Nhiệt độ tăng cao

Động học của quá trình tái thụ động phim-thụ động chậm lại khi nhiệt độ tăng lên trong môi trường có tính xâm thực cao, điều này thu hẹp khoảng cách giữa vận tốc gây ra sự gián đoạn và vận tốc mà phim có thể lành lại. Dịch vụ ăn mòn nhiệt độ cao - nước muối địa nhiệt, dòng xử lý nóng - thường đẩy việc lựa chọn cấp độ lên đường ống hợp kim-PREN song công, siêu{6}}austenit hoặc niken{7}}cao hơn ngay cả ở vận tốc dòng chảy mà loại thấp hơn có thể chịu được ở nhiệt độ môi trường.

CO2 và H2S hòa tan

Trong các hệ thống thu gom dầu và khí đốt, CO2 hòa tan tạo thành axit cacbonic tấn công mọi kim loại cơ bản tiếp xúc nhanh hơn nước thường, gây ra hiện tượng ăn mòn-khi lớp màng thụ động bị xuyên thủng. NACE MR0175/ISO 15156 các yêu cầu dịch vụ chua-đặt các ràng buộc luyện kim bổ sung - chẳng hạn như giới hạn độ cứng và điều kiện xử lý nhiệt-- bên trên giới hạn tốc độ ăn mòn-của sự ăn mòn và hai bộ yêu cầu này phải được đáp ứng đồng thời thay vì độc lập.

Điều gì xảy ra khi vượt quá giới hạn vận tốc?

Việc vượt quá giới hạn vận tốc ăn mòn-ăn mòn sẽ tạo ra sự mất đi độ dày-tường{1}} cục bộ, tăng tốc -, thường ở khuỷu tay, điểm chữ T và hạ lưu của các hạn chế - có thể tiến triển từ việc phát hiện quy mô phiếu giảm giá-đến rò rỉ xuyên-tường nhanh hơn nhiều so với dự đoán ăn mòn đồng đều.

Bởi vì xói mòn-ăn mòn là quá trình tự{1}}tăng cường nên việc làm mỏng ở vị trí có- nhiễu loạn cao sẽ làm tăng độ nhám cục bộ và cường độ nhiễu loạn, điều này càng đẩy nhanh quá trình loại bỏ màng tại cùng điểm đó. Điều này tạo ra mô hình tổn thất-hình móng ngựa hoặc hình vỏ sò-đặc trưng được tìm thấy trên khuỷu tay, nhánh chữ T và đầu ra bộ giảm tốc trong đường ống bị hỏng - hư hỏng mà phép tính trợ cấp ăn mòn-chung dựa trên tổn thất kim loại đồng nhất sẽ không dự đoán được.

Trong thực tế, điều này có nghĩa là các chương trình kiểm tra các đường-dễ bị ăn mòn{1}}xói mòn nên ưu tiên các điểm gián đoạn hình học bằng lập bản đồ độ dày siêu âm thay vì chỉ dựa vào xu hướng hao mòn-trung bình của tường.

Kỹ sư nên chọn loại đường ống có tốc độ-phù hợp như thế nào?

Chọn cấp-PREN thấp nhất để loại bỏ vận tốc thực tế, chất rắn, clorua và đường bao nhiệt độ của dự án với biên độ - không phải là-cấp PREN cao nhất hiện có - vì đường ống song công, siêu song công và hợp kim niken-có mức chi phí cao hơn đáng kể so với các cấp austenit tiêu chuẩn.

Trình tự lựa chọn cấp-thực tế bắt đầu với 316L làm đường cơ sở cho vận tốc vừa phải, không có-clorua, chất rắn{3}}ít. Khi dự kiến ​​tiếp xúc với nước biển, cuốn theo cát hoặc vận tốc trên khoảng 5 m/s, song công 2205 là bản nâng cấp tiêu chuẩn, mang lại bước nhảy vọt đáng kể về cả PREN và cường độ năng suất với mức tăng chi phí vừa phải so với các loại austenit. Các cấp độ siêu austenit siêu song công 2507 và 6Mo-chẳng hạn như 254 SMO được dành riêng cho các phân đoạn clorua-tốc độ cao nhất hoặc-clorua cao nhất của một hệ thống - thường ngắn-các ống cuộn nhiễu loạn cao, cuộn cảm và van điều khiển hoặc các đầu phun - thay vì được chỉ định trên toàn bộ dây chuyền, giúp kiểm soát chi phí trong khi vẫn bảo vệ điểm rủi ro{17}}cao nhất.

Các hợp kim niken như Hợp kim 625 được đưa vào lựa chọn khi vận tốc, nhiệt độ và hàm lượng clorua cùng nhau vượt quá mức mà bất kỳ dòng không gỉ nào có thể chịu đựng được một cách đáng tin cậy hoặc khi cần có khả năng tương thích điện với thiết bị hợp kim niken-hiện có. Vì Hợp kim 625 và các hợp kim niken tương đương có chi phí vật liệu cao nhất trong so sánh này nên chúng thường được áp dụng có chọn lọc - tại máy bơm phản lực, cuộn cảm và các thành phần vận tốc-nguồn cao{6}}điểm khác - thay vì chạy toàn bộ đường ống, với đường ống song công hoặc siêu song công mang lại sự cân bằng cho đường dây.

Câu hỏi thường gặp

Q: Vận tốc tối đa cho ống thép không gỉ 316L là bao nhiêu?

A: Trong dịch vụ sạch, không có chất rắn-, 316L thường bị giới hạn ở khoảng 3-5 m/s (10-16 ft/s). Trong nước biển hoặc các chất lỏng giàu clorua khác, giới hạn thực tế thường được đặt thấp hơn để quản lý rủi ro rỗ thay vì xói mòn thuần túy và các cấp độ kép thường được chỉ định thay thế khi có clorua.

Q: Thép không gỉ song công có khả năng chống xói mòn-cao hơn 316L không?

A: Đúng. Duplex 2205 có PREN khoảng 35 so với khoảng 24-26 đối với 316L và cấu trúc vi mô hai pha-của nó tăng thêm cường độ chảy mà các cấp austenit thiếu, điều này cùng nhau làm tăng ngưỡng tốc độ ăn mòn-ăn mòn của nó lên trên 316L trong cả môi trường sạch và chứa chất rắn.

Q: Phương trình API RP 14E có áp dụng trực tiếp cho đường ống thép không gỉ không?

A: Không trực tiếp - hệ số C mặc định của API RP 14E là 100 được phát triển cho thép cacbon. Đường ống không gỉ và ống song công sử dụng hệ số C- cao hơn (khoảng 300 cho thép không gỉ 13Cr và 350 cho ống song công ở chất rắn danh nghĩa-dịch vụ miễn phí) được rút ra từ thông lệ trong ngành, vì bản thân thông lệ được đề xuất không công bố các giá trị cụ thể{10}}không gỉ.

Q: Hàm lượng cát làm giảm giới hạn vận tốc đối với thép không gỉ là bao nhiêu?

A: Đáng kể. Thử nghiệm đã công bố trên 2205 song công trong nước biển chứa đầy cát-cho thấy vận tốc tới hạn gần 4 m/s, gần bằng một nửa vận tốc có thể chấp nhận được trong điều kiện sạch,{4}}không có chất rắn và sự xói mòn-thiệt hại do ăn mòn sẽ gia tăng hơn nữa khi hàm lượng cát tăng vượt quá ngưỡng đó.

Q: Khi nào dự án nên sử dụng hợp kim niken thay vì thép không gỉ siêu song công?

A: Khi tốc độ dòng chảy, nhiệt độ và hàm lượng clorua cùng nhau vượt quá mức siêu song công hoặc cấp 6Mo có thể chịu đựng được một cách đáng tin cậy hoặc khi áp dụng các yêu cầu về-dịch vụ chua, khả năng tương thích điện-hoặc nhiệt độ-cực cao. Các hợp kim niken như Hợp kim 625 thường được sử dụng có chọn lọc ở các thành phần có vận tốc-cao thay vì cho toàn bộ đường ống do chi phí cao.