Hydro-Gây ra vết nứt trong thép không gỉ song công: Những cân nhắc về dịch vụ dưới biển

Hydro-Gây ra vết nứt trong thép không gỉ song công: Những cân nhắc về dịch vụ dưới biển

Thép không gỉ song công và siêu song công là vật liệu phù hợp cho các ống góp dưới biển, buộc-trong ống cuộn, đầu nối và ống cuộn vì chúng kết hợp độ bền cao với khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn kẽ hở tuyệt vời. Tuy nhiên, chính môi trường dưới biển đó lại đưa ra một chế độ hư hỏng không ảnh hưởng đến các loại austenit thông thường theo cách tương tự: nứt ứng suất do hydro-gây ra, hay HISC. Bài viết này giải thích lý do tại sao HISC xuất hiện, loại song công và hình học thành phần nào được bộc lộ nhiều nhất, tiêu chuẩn thiết kế nào được áp dụng và cách các nhóm thu mua có thể chỉ định vật liệu chống lại nó khi sử dụng.

Vết nứt do ứng suất gây ra do hydro-trong thép không gỉ song công là gì?

HISC là một cơ chế tạo vết nứt giòn, chậm, trong đó hydro nguyên tử được tạo ra bởi sự bảo vệ catốt khuếch tán vào pha ferit của thép không gỉ song công, làm cho nó trở nên giòn dưới ứng suất kéo kéo dài cho đến khi vết nứt bắt đầu và lan truyền mà không báo trước.

Thép không gỉ song công có cấu trúc vi mô hai pha, khoảng 50/50 gồm ferit khối tâm (BCC) khối tâm (BCC) và khối tâm mặt (FCC) austenite. Khi một thành phần được phân cực đến điện thế catốt, phản ứng tạo ra hydro ở bề mặt kim loại sẽ tạo ra hydro nguyên tử. Bởi vì ferrite BCC có độ khuếch tán hydro cao hơn nhiều và độ hòa tan hydro thấp hơn so với austenite FCC, nên hydro tập trung trong pha ferrite và làm giảm độ dẻo của nó.

Khi ứng suất cục bộ tại một rãnh, chân mối hàn hoặc sự gián đoạn hình học vượt quá ngưỡng tới hạn, một vết nứt sẽ bắt đầu trong ferrite bị giòn và lan truyền nhanh chóng, thường dừng lại ở nơi nó gặp ranh giới hạt austenite trước khi chuyển sang đường ferit tiếp theo. Kết quả là một bề mặt gãy trông có vẻ giòn-trong một vật liệu thường dẻo - mà các nhà nghiên cứu chữ ký sử dụng để phân biệt HISC với hiện tượng mỏi hoặc quá tải cơ học.

Tại sao các lớp song công lại dễ bị tổn thương hơn so với thép không gỉ Austenitic?

Cấu trúc vi mô hai pha-tương tự giúp thép không gỉ song công có ưu thế về độ bền và khả năng chống rỗ so với các loại austenit chẳng hạn như 316L cũng là nguồn gốc gây ra tính nhạy cảm HISC của nó.

Thép không gỉ austenit một pha-như 316L có độ hòa tan hydro cao và độ khuếch tán hydro thấp, do đó hydro có xu hướng hòa tan và phân tán thay vì tập trung tại các vị trí nhạy cảm. Các loại song công được sử dụng đặc biệt dưới biển vì cường độ chảy cao hơn của chúng cho phép các thành phần có thành mỏng hơn,{3}}nhẹ hơn so với các chất thay thế austenit và vì hàm lượng crom và molypden cao hơn, được định lượng bằng

Số tương đương điện trở rỗ (PREN), chống ăn mòn cục bộ mà không cần bảo vệ cathode. Tuy nhiên, trên thực tế, các bộ phận song công dưới biển được liên kết điện với các kết cấu thép carbon - ống góp, cầu nối và thép kết cấu - cần có CP. Liên kết đó phân cực thành phần song công cùng với thép cacbon, tạo ra nguồn hydro mà pha ferit của nó dễ bị ảnh hưởng.

Bảo vệ Cathodic có gây ra HISC không và có thể loại bỏ nó một cách đơn giản không?

Bảo vệ catốt là nguồn hydro chính cho HISC dưới biển, nhưng việc loại bỏ nó không phải là giải pháp khả thi vì các thành phần song công vẫn liên kết điện với thép cacbon được bảo vệ CP{0}} và nếu không sẽ bị ăn mòn.

HISC có thể xảy ra ở bất kỳ điện thế nào âm hơn điện thế thuận nghịch của phản ứng tiến hóa hydro, xấp xỉ -0,73 V so với điện cực calomel bão hòa (SCE) ở pH nước biển. Các hệ thống CP dưới biển điển hình dành cho điện thế bảo vệ mục tiêu kép bằng thép không gỉ bằng thép không gỉ khoảng -0,60 V (Ag/AgCl), nhưng việc ghép điện với cực dương hy sinh hoặc hệ thống dòng điện cưỡng bức được thiết kế cho thép cacbon thường khiến điện thế thực tế trở nên âm hơn, trong một số trường hợp được ghi nhận là -1,0 V SCE hoặc cao hơn.

Điện thế càng âm thì tốc độ nạp hydro càng cao. Bởi vì các thành phần song công không thể được cách ly về điện khỏi các cấu trúc được bảo vệ CP-mà chúng kết nối mà không gây ra nguy cơ ăn mòn khác nên việc tránh HISC được coi là vấn đề về lựa chọn thiết kế và vật liệu-, chứ không phải vấn đề về hệ thống CP-.

Song công tiêu chuẩn và Siêu song công: Lớp nào mang lại khả năng chống HISC tốt hơn?

Hàm lượng hợp kim cao hơn không tự động chuyển thành điện trở HISC cao hơn. Các lớp siêu song công có ứng suất thiết kế cao hơn nhờ cường độ năng suất cao hơn, có thể bù đắp lợi ích luyện kim của cấu trúc vi mô của chúng và yêu cầu kiểm soát ứng suất nghiêm ngặt không kém.

Bảng dưới đây so sánh hai dòng song công được chỉ định phổ biến nhất cho dịch vụ dưới biển. Giá trị PREN sử dụng công thức tiêu chuẩn %Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N.

Bảng 1. Các đặc tính liên quan đến HISC-so sánh của các loại thép không gỉ song công tiêu chuẩn và siêu song công thường được cung cấp cho dịch vụ dưới biển.

Nguồn: Các yêu cầu về tính chất cơ học và hóa học của ASTM A182/A240/A479; Dữ liệu kỹ thuật Alleima SAF 2507; Tài liệu chứng nhận NORSOK M-650.

Tiêu chuẩn thiết kế nào chi phối việc tránh HISC trong các thành phần song công dưới biển?

DNV-RP-F112 là tiêu chuẩn thiết kế được quốc tế công nhận để tránh HISC trong thép không gỉ song công dưới biển và được áp dụng cùng với NORSOK M-001, NORSOK M-650 và NACE MR0175/ISO 15156 tùy thuộc vào nhà điều hành và lĩnh vực.

Bảng 2. Các tiêu chuẩn thường được viện dẫn cùng nhau đối với thiết kế và chất lượng vật liệu thép không gỉ song công của HISC dưới biển.

Ngưỡng ứng suất nào ngăn cản HISC trong thép không gỉ song công?

Không có giới hạn ứng suất chung duy nhất; DNV-RP-F112 đặt ứng suất thiết kế cho phép dưới dạng hàm của danh mục thành phần, loại tải trọng và cấu trúc vi mô đã được xác minh, đồng thời dữ liệu phòng thí nghiệm độc lập cho thấy biên có thể đạt được phụ thuộc rất nhiều vào mức độ kiểm soát khoảng cách austenite của quy trình sản xuất.

DNV-RP-F112 chia các thành phần song công dưới biển thành các loại tải và chỉ định tiêu chí thiết kế ứng suất và biến dạng cho từng loại, thay vì một tỷ lệ phần trăm cố định của cường độ năng suất. Như một minh họa chung về độ nhạy liên quan, thử nghiệm của bên thứ ba-đã công bố đã báo cáo rằng ống song công được ủ nguội-được ủ trong dung dịch-có khoảng cách austenite nhỏ từ 5 đến 15 micromet có thể chịu được ứng suất kéo dài lên đến khoảng 130 phần trăm cường độ chảy mà không cần HISC trong các điều kiện thử nghiệm được kiểm soát, trong khi các cấu trúc vi mô thô hơn với khoảng cách austenite rộng hơn cho thấy các ngưỡng thấp hơn rõ rệt.

Thử nghiệm tải trọng-không đổi trong magie clorua sôi theo tiêu chuẩn ASTM G36 đã cho thấy ngưỡng nứt do ăn mòn ứng suất khoảng 50% độ bền thử đối với cả kim loại gốc và các mối hàn thuộc loại siêu song công cấp 2507. Những số liệu này minh họa tại sao DNV-RP-F112 coi các giới hạn ứng suất là các phép tính cơ sở thiết kế-gắn liền với điều kiện vật liệu đã được xác minh thay vì một số ngành cố định và tại sao cần phải phân tích kỹ thuật thành phần cụ thể, chứ không phải quy tắc kinh nghiệm cho mọi ứng dụng dưới biển.

Cấu trúc vi mô kiểm soát khả năng kháng HISC như thế nào?

Khoảng cách austenite mịn, đồng đều và phần ferit cân bằng, thường là 35 đến 55 phần trăm ferit, là đòn bẩy cấu trúc vi mô chính cho khả năng chống HISC và cả hai đều được kiểm soát thông qua quá trình rèn hoặc tạo hình ống-, ủ dung dịch và tốc độ làm nguội.

Bởi vì các vết nứt HISC lan truyền qua pha ferit và bắt giữ ở các ranh giới austenite{0}}ferite, nên một cấu trúc vi mô với các đảo austenite có khoảng cách đều nhau và gần nhau sẽ hạn chế khoảng cách vết nứt có thể di chuyển trước khi nó bị giữ lại, làm tăng ứng suất ngưỡng hiệu dụng. DNV-RP-F112 khuyến nghị khoảng cách austenite dưới khoảng 30 micromet. Các vật rèn có hạt-thô, đặc biệt là các thành phần mặt cắt dày-được đông đặc hoặc rèn mà không có độ mài mòn thích hợp, có xu hướng tạo ra khoảng cách austenite rộng hơn và do đó điện trở HISC thấp hơn tương ứng.

Đây là lý do tại sao quy trình sản xuất cũng quan trọng như hóa học: ép nóng đẳng tĩnh (HIP) và quy trình rèn tiên tiến giúp thúc đẩy cấu trúc hạt mịn, đồng nhất đã được chứng minh là cải thiện cả độ bền-ở nhiệt độ thấp và khả năng kháng HISC so với rèn thông thường cùng loại danh nghĩa.

Lớp phủ bên ngoài có loại bỏ rủi ro HISC không?

Không. Lớp phủ làm giảm diện tích tiếp xúc với dòng điện CP nhưng không loại bỏ rủi ro HISC, vì hư hỏng lớp phủ, các điểm yếu và các mối nối ngoài hiện trường được cho là xảy ra trong suốt thời gian sử dụng và thiết kế phải tính đến khả năng tiếp xúc-kim loại trần cuối cùng.

Các hệ thống phủ epoxy-liên kết bằng phản ứng tổng hợp và các hệ thống phủ khác là phương pháp tiêu chuẩn đối với các bộ phận song công dưới biển và chúng làm giảm đáng kể tốc độ nạp hydro so với kim loại trần tiếp xúc trực tiếp với CP. Tuy nhiên, lớp phủ được coi là biện pháp giảm nhẹ chứ không phải là thiết kế thay thế cho việc kiểm soát ứng suất.

Cả hướng dẫn của DNV-RP-F112 và NORSOK đều giả định rằng tính nguyên vẹn của lớp phủ sẽ suy giảm ở một số vị trí trong suốt thời gian sử dụng tại hiện trường - thông qua hư hỏng lắp đặt, mài mòn hoặc bong tróc - và yêu cầu ứng suất cơ bản và chất lượng vật liệu vẫn đáp ứng các tiêu chí chấp nhận của HISC như thể phơi nhiễm CP là trực tiếp. Chỉ dựa vào lớp phủ mà không xác minh ứng suất và cấu trúc vi mô đã được xác định là yếu tố góp phần gây ra một số hư hỏng dưới biển được ghi nhận.

Khi nào hợp kim niken nên thay thế thép không gỉ song công cho dịch vụ quan trọng dưới biển của HISC-?

Các hợp kim niken austenit một pha-chẳng hạn như Inconel 625 (UNS N06625) phần lớn không bị ảnh hưởng bởi HISC điều khiển CP- vì chúng thiếu pha ferrite khiến thép song công dễ bị ảnh hưởng, khiến chúng trở thành bản nâng cấp ưu tiên cho các đầu nối có hệ quả-cao nhất, các thành phần dịch vụ-không tốt và các vị trí mà ứng suất không thể được duy trì một cách đáng tin cậy dưới ngưỡng HISC song công.

Bảng 3. Những cân nhắc lựa chọn thép không gỉ song công so với hợp kim niken 625 trong các ứng dụng quan trọng dưới biển của HISC-.

Để so sánh đầy đủ đặc tính, hãy xem hướng dẫn vật liệu Inconel 625 của EETA, bao gồm thành phần hóa học, khả năng chống ăn mòn và dữ liệu ứng dụng ngoài khơi cho loại này một cách sâu hơn.

Những thất bại của HISC được ghi lại dưới biển dạy chúng ta điều gì?

Mọi hư hỏng HISC dưới biển được ghi chép đầy đủ đều có-được ghi chép đầy đủ đều bắt nguồn từ ba điều kiện giống nhau xảy ra cùng nhau: vi cấu trúc nhạy cảm, sự tích điện hydro từ bảo vệ cathode và ứng suất dư hoặc ứng suất tại hoặc trên ngưỡng của vật liệu -, đó là lý do tại sao các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay giải quyết cả ba yếu tố cùng nhau thay vì bất kỳ yếu tố nào riêng biệt.

Sự cố đầu tiên được báo cáo rộng rãi của HISC là ở đầu nối trung tâm dưới biển Foinaven ở Biển Bắc vào năm 1996, sau đó là sự cố-gây đứt gãy ống ống ở mỏ Scott và Britannia. Những sự cố này xảy ra trên các tài sản được phân cực thành điện thế xung quanh -1,0 V SCE, đã thúc đẩy các dự án công nghiệp chung giữa TWI, DNV và Sintef tạo ra cơ sở kỹ thuật cho DNV-RP-F112. Các cuộc điều tra-gây ra gần đây hơn về các đầu nối ngầm siêu song công (UNS S32760) bị hỏng đã tiếp tục chỉ ra cùng một sự kết hợp: các bề mặt đứt gãy giòn, cặn vôi phù hợp với mức độ phơi nhiễm CP và sự tập trung ứng suất ở phần chuyển đổi phần bị lệch, dày hơn{10}}sang{12}}mỏng hơn. Lịch sử hư hỏng của NORSOK đã ghi nhận khoảng tám hư hỏng cấu trúc song công được ghi nhận do HISC, hầu hết liên quan đến các bộ phận liên kết và ống cuốn có hàm lượng ferit cao, hư hỏng lớp phủ hoặc tập trung ứng suất cục bộ.

Nhóm Mua sắm Nên Giảm thiểu Rủi ro HISC như thế nào khi Tìm nguồn cung ứng Linh kiện Song công?

Rủi ro HISC được kiểm soát tốt nhất ở giai đoạn tìm nguồn cung ứng bằng cách chỉ định các yêu cầu về cấu trúc vi mô và lộ trình sản xuất trong thông số kỹ thuật mua hàng, không chỉ các đặc tính hóa học và cơ học, đồng thời bằng cách yêu cầu tuân thủ bằng văn bản với DNV-RP-F112 và NORSOK M-650.

Các điểm đặc điểm kỹ thuật thực tế cho việc mua sắm song công dưới biển bao gồm:

Tham khảo DNV-RP-F112 một cách rõ ràng trong đơn đặt hàng và yêu cầu tài liệu cơ sở về thiết kế ứng suất và biến dạng của nhà cung cấp cho danh mục thành phần.

Chỉ định khoảng cách austenite tối đa (thường là 30 micromet hoặc chặt hơn) và phạm vi hàm lượng ferit, đồng thời yêu cầu bằng chứng về kim loại trong báo cáo thử nghiệm vật liệu.

Yêu cầu trình độ chuyên môn về phương pháp sản xuất và nhà sản xuất NORSOK M{1}}650 đối với các bộ phận song công được rèn hoặc đúc dành cho dịch vụ dưới biển.

Xác nhận lộ trình rèn hoặc tạo hình ống-(ví dụ: ép nóng đẳng tĩnh hoặc quy trình rèn nâng cao) trong đó đều yêu cầu độ bền nhiệt độ-thấp và cấu trúc hạt mịn.

Xác minh các yêu cầu kiểm tra và thông số kỹ thuật của lớp phủ, đồng thời xác nhận rằng vật liệu cơ bản vẫn đáp ứng các tiêu chí về ứng suất HISC trên nền-kim loại trần.

Yêu cầu nhận dạng vật liệu tích cực (PMI) và tài liệu EN 10204 3.1 hoặc 3.2 đầy đủ có thể theo dõi lô gia nhiệt và rèn.

Câu hỏi thường gặp

Q: Thép không gỉ song công có phù hợp để sử dụng dưới biển vì rủi ro HISC không?

A: Không. Thép không gỉ song công và siêu song công vẫn được sử dụng rộng rãi và thành công dưới biển; Hàng trăm nghìn km đường ống song công đã được lắp đặt bảo vệ ca-tốt từ những năm 1970. HISC là một ràng buộc thiết kế có thể quản lý được, không phải là lý do để tránh họ vật liệu.

Q: Hàn có làm tăng độ nhạy HISC không?

A: Có, các mối hàn và vùng bị ảnh hưởng nhiệt-của chúng là những vị trí bắt đầu HISC phổ biến vì quá trình hàn có thể làm thô cấu trúc vi mô cục bộ, tạo ra ứng suất dư và tạo ra sự tập trung ứng suất hình học ở chân mối hàn. Các mối hàn được đánh giá riêng biệt với kim loại gốc trong đánh giá thiết kế HISC.

Q: HISC có thể được phát hiện trước khi một thành phần bị lỗi trong hoạt động không?

A: HISC là một hư hỏng giòn xảy ra chậm, thường nhanh chóng với cảnh báo hạn chế có thể nhìn thấy được. Đó là lý do tại sao phương pháp tiếp cận của ngành nhấn mạnh đến việc ngăn chặn các điều kiện gây nứt thông qua kiểm soát thiết kế và vật liệu thay vì dựa vào-kiểm tra trong quá trình sử dụng để phát hiện sớm.

Q: HISC có phải là hiện tượng tương tự như hiện tượng giòn do hydro trong thép carbon hoặc thép hợp kim thấp không?

A: Chúng có chung nguyên nhân gốc rễ, hydro nguyên tử làm giòn một vi cấu trúc dễ bị tổn thương, nhưng HISC trong thép không gỉ song công đặc biệt quan tâm đến sự phân chia hydro thành pha ferit của vi cấu trúc hai pha-dưới sự bảo vệ cathode, trong khi đó cacbon và thép hợp kim-độ giòn hydro liên quan đến ma trận một pha và các cơ chế ngưỡng khác nhau.