Quel est le seuil maximal admissible de fissuration par corrosion sous contrainte de sulfure que la gaine chauffante en acier inoxydable 316 expose dans la solution NACE TM0177 A à 24 degrés et 80 degrés

Dépendance à la température de la susceptibilité SSC de l'acier inoxydable austénitique

Le-contrôle de la température du risque de fissuration par corrosion sous contrainte (SSC) des tubes de chauffage électrique dans des environnements de service acides (chauffe-eau des champs pétrolifères, systèmes géothermiques ou réchauffeurs de processus de raffinerie) n'est pas-monotone, c'est-à-dire que le risque n'est pas simplement fonction de la température. Différent du SCC induit par le chlorure qui est plus grave avec l'augmentation de la température, le SSC des aciers inoxydables austénitiques tels que le 316 a une sensibilité maximale à température ambiante (20-30 degrés) et est considérablement réduit à des températures élevées (plus de 80 degrés) . 316 dans la solution A NACE TM0177 (5 % en poids de NaCl + 0.5 % en poids d'acide acétique, saturé de H2S à 1 atm, pH ~ 2,7-3,0) a une contrainte seuil pour SSC d'environ 60 à 70 % de sa limite d'élasticité à 24 degrés. Cela signifie que des contraintes supérieures à 120-140 MPa (pour le 316 recuit avec une limite d'élasticité ~ 205 MPa) entraîneront une fissuration en 720 heures. À 80 degrés, le seuil se déplace vers le haut pour atteindre la limite d'élasticité (près de 200 MPa), ce qui montre une sensibilité nettement moindre au SSC. Dans cet article, les seuils SSC pour 316 gaines sont quantifiés en fonction de la température.

Origine de la température-Susceptibilité SSC dépendante

La fissuration par corrosion sous contrainte de sulfure se produit lorsque l'hydrogène atomique formé à partir de la réaction de corrosion (Fe + H2S → FeS + 2H) se diffuse dans l'acier et fragilise la microstructure. Pour les aciers inoxydables austénitiques, comme le 316, la diffusion de l'hydrogène est lente à température ambiante puisque la structure cubique à faces centrées (FCC) se traduit par une faible diffusivité de l'hydrogène (environ 10-12 à 10-11 cm2/s à 25 degrés contre 10-6 cm2/s pour les aciers ferritiques). Cependant, le travail à froid, combiné à une dureté élevée et à une densité de dislocation élevée, peut rendre le 316 vulnérable. À des températures plus élevées (> 60-80 degrés), la diffusivité de l'hydrogène augmente, mais la tolérance à l'hydrogène augmente également car les dislocations peuvent se déplacer pour soulager les contraintes locales. De plus, le taux de corrosion augmente avec la température, ce qui conduit à une production accrue d'hydrogène, mais la réaction de recombinaison de l'hydrogène est moins empoisonnée par le H 2 S à des températures plus élevées. La conséquence nette est donc une susceptibilité maximale au SSC entre 20 et 40 degrés et une diminution rapide au-dessus de 60 degrés.

Limites SSC quantifiées à 24 degrés et 80 degrés

L'essai SSC à charge constante de l'acier inoxydable 316 recuit, avec une dureté < 200 HV, dans la solution A NACE TM0177, a établi les contraintes seuils suivantes pour la fissuration sur la période d'essai normale de 720 heures.

Temperature (°C) Material Condition Yield Strength (0.2% offset, MPa) Threshold Stress for SSC (MPa, 720h)Threshold Stress as % of Yield SSC Susceptibility Rating 24 Annealed (150-180 HV) 205 120-140 60-70% Moderate 24 Cold-worked (20%, 250-300 HV) 400-500 80-120 (absolute) 20-30% High 24 Hard-drawn (>35% CW, >350 HT) 550-700<50 (absolute) <10%Severe 80Annealed 190 (derated) 170-190 90-100% Low 80 Cold-worked (20%) 350-450 250-350 70-80% Moderate 80 Hard-drawn (>35 % CW) 500-650 300-500 60-70 % modéré
L'interaction critique de la dureté-Résistance SSC

Une dureté maximale de 22 HRC (environ 250 HV) est autorisée pour les aciers inoxydables austénitiques en service acide selon NACE MR0175/ISO 15156 (la spécification pour les matériaux dans des environnements contenant du H₂S-). Cette limite de dureté correspond à un écrouissage maximum d'environ 15-20 %. Le tableau ci-dessous présente les limites de dureté et leurs implications sur le SSC à température ambiante.

Dureté maximale (HRC) Dureté maximale (HV) Contrainte de seuil SSC équivalente pour travail à froid (MPa, 24 degrés, base recuite) 316 Acceptable selon NACE MR0175<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 Oui (limité)
20-22 230-250 12-18 % 100 Marginaux
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
Recommandations pratiques pour les applications de chauffage à service acide

Les recommandations suivantes sont basées sur la température de fonctionnement des réchauffeurs à gaine 316 destinés à être utilisés en service H2S (pression partielle de H2S supérieure à 0,05 psia ou concentration supérieure à 10 ppm dans l'eau liquide).

Température de fonctionnement (degrés) Pression partielle H2S (psia) Dureté maximale (HRC/HV) Traitement thermique de post-formage recommandé Alliage alternatif<30 <0.05 22/250 Stress relief 400-450°C 316 acceptable <30 0.05-0.5 20/230 Full solution anneal + stress relief 316L preferred <30 >0.5 18/210 Full solution anneal Duplex 2205 recommended 30-60 Any 22/250No need (reduced susceptibility) 316 acceptable 60-80 Any 25/280316 accept None necessary (low susceptibility) >80 Tous Tous (aucun risque SSC)316 totalement acceptable Aucun requis
Diagnostic sur le terrain d'un dysfonctionnement du SSC

La fissuration du SSC dans les gaines du réchauffeur 316 est généralement transgranulaire (à travers les grains) plutôt qu'intergranulaire, souvent avec des ramifications comme le chlorure SCC mais en l'absence de chlorures substantiels. Il y a peu de déformation plastique de la surface de fracture qui peut être plate et facettée. Les endroits les plus susceptibles de se fissurer sont les zones travaillées à froid - (par exemple le rayon extérieur des virages) et les températures inférieures à 60 degrés. Si un appareil de chauffage tombe en panne à cause d'un système d'eau acide comprenant du H 2 S, et que la panne se produit dans un coude ou dans une zone de travail à froid et que la température de service est ambiante à 50 degrés, un SSC doit être suspecté si la dureté dépasse environ 250 HV, quelle que soit la dureté.

Conclusion : contrôle des risques SSC via le contrôle de la température et de la dureté

316 stainless steel encased heaters in sour service (H2S-containing environments) have peak vulnerability to SSC at ambient to 40°C, and drops dramatically above 60°C. The threshold stress for SSC in NACE TM0177 Solution A at 24°C is about 60-70% of yield strength (120-140 MPa for annealed 316). At 80C the threshold climbs to near yield strength (170-190 MPa) suggesting substantially lesser danger. For sour service with 316 sheaths, NACE MR0175 requires that the hardness does not exceed 22 HRC (250 HV) when operating below 60°C. Hardness is less important for higher temperature operations (>60 degrés), le 316 peut donc être utilisé en toute sécurité même à des niveaux de travail à froid plus élevés. Ce cadre décrit ici permet aux acheteurs de sélectionner 316 gaines résistantes à la fissuration par corrosion sous contrainte de sulfure dans des conditions acides en mettant en relation la température, la dureté et la contrainte seuil SSC.