Incoloy 825 تآكل الغاز الحامض: مقاومة تكسير التآكل بإجهاد الكلوريد في خدمة H2S

إنكولوي 825(UNS N08825, W.Nr. 2.4858) عبارة عن سبيكة من التيتانيوم-والنيكل المستقر-والحديد-الكروم مع الموليبدينوم والنحاس، وهي واحدة من أكثر السبائك المقاومة للتآكل -المحددة على نطاق واسع (CRAs) لإنتاج الغاز الحامض (H₂S). إن محتواه من النيكل بنسبة 38-46% يضعه أعلى بكثير من نطاق قابلية التعرض للتكسير الناتج عن التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد (CSCC)، وهو مؤهل بموجب NACE MR0175/ISO 15156-3 للخدمة الحامضة المقاومة للتكسير بصلابة قصوى تبلغ 35 HRC.

تجيب هذه المقالة على الأسئلة الأكثر طرحًا من قبل المهندسين وفرق المشتريات: ما الذي يدفع الكلوريد SCC في الآبار الحامضة، ولماذا يقاومه Incoloy 825، وكيف يقارن مع 316L، و904L، وAlloy 625، وC-276، حيث تكمن حدوده العملية، وكيفية اختياره ولحامه والتحقق منه لخدمة H₂S. يمكن إرجاع كل بيان كمي إلى المعايير ومصادر الشركة المصنعة المدرجة في قسم المراجع.

إنكولوي 825 في لمحة

يلخص الجدول أدناه الإجابات التي طورتها هذه المقالة بالتفصيل. تم تنسيقه بحيث يمكن استخراج كل صف والاستشهاد به بشكل مستقل.

ما هو Incoloy 825 ولماذا تم تخصيصه لخدمة الغاز الحامض؟

Incoloy 825 (UNS N08825) عبارة عن سبيكة كروم من التيتانيوم-والنيكل المستقر-الحديد-تحتوي على الموليبدينوم والنحاس، وتم تصميمها لمقاومة الهجوم المشترك للأحماض المختزلة والوسائط المؤكسدة والكلوريدات الساخنة وH₂S. إنها العمود الفقري لإنتاج الغاز الحامض لأن درجة واحدة توفر مقاومة الكلوريد SCC، ومقاومة التكسير الناتج عن إجهاد الكبريتيد (SSC)، ومقاومة الحفر وقابلية اللحام بتكلفة أقل بكثير من سبائك النيكل المتميزة مثل السبائك 625 أو C-276.

ينتمي Incoloy 825 إلى عائلة Ni-Fe-Cr بدلاً من عائلة Ni-Cr-Mo، وهذا هو بالضبط سبب كونها اقتصادية: حيث يشكل الحديد 22% على الأقل من المادة المصفوفة. كل إضافة متعمدة لها وظيفة تآكل محددة، كما هو ملخص في الجدول 2.

الجدول 2. التركيب الاسمي ووظيفة التآكل لـ Incoloy 825 (UNS N08825).

يتم توفير السبيكة في محلول -مُلدن على هيئة أنبوب (ASTM B423)، ولوحة/ورقة/شريط (B424)، وقضيب (B425)، وأنبوب مكثف (B163)، ومطروقات (B564). نظرًا لأن البنية المجهرية مستقرة ومستقرة تمامًا، فإن Incoloy 825 يحتفظ بصلابة جيدة ويظل سهل اللحام، ولهذا السبب يظهر تقريبًا في كل مقارنات مقاومة التآكل-للنفط والغاز والمعالجة الكيميائية ومكافحة التلوث.

ما هو تكسير التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد ولماذا يدمر الفولاذ المقاوم للصدأ في الآبار الحامضة؟

التكسير الناتج عن إجهاد الكلوريد (CSCC) هو تشقق مفاجئ وهش-يشبه وضع الفشل في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الذي يتطلب ثلاثة ظروف متزامنة - إجهاد الشد وأيونات الكلوريد ودرجة حرارة تزيد عن 60 درجة تقريبًا (140 درجة فهرنهايت) - ويمكن أن يكسر أحد المكونات عند ضغوط أقل بكثير من قوة الخضوع، وغالبًا مع عدم وجود تآكل عام مرئي تقريبًا.

يحتاج CSCC إلى جميع الشروط الثلاثة في وقت واحد. (1) إجهاد الشد - المطبق بالضغط أو الوزن الساكن، أو الإجهاد المتبقي الناتج عن اللحام أو التشكيل أو العمل البارد. (2) أيونات الكلوريد - موجودة في الماء الملحي المنتج وسوائل الإكمال ومعظم تيارات العملية. (3) درجة الحرارة - يتسارع التشقق فوق 60 درجة تقريبًا. قم بإزالة أي واحد من الثلاثة وتتوقف الآلية.

التسلسل مفهوم جيدًا. يتحلل الفيلم السلبي محليًا عند عوامل الضغط مثل إصبع اللحام أو الخدش أو الحفرة الموجودة مسبقًا. تهاجر أيونات الكلوريد إلى الثغرة ويؤدي التحلل المائي للكاتيونات المعدنية إلى تحمض الخلية المغطاة، مما يؤدي إلى انخفاض الرقم الهيدروجيني المحلي. يستمر التحلل الأنودي عند طرف الشق بينما يعمل المعدن المحيط ككاثود، ويتركز إجهاد الشد عند الطرف ويدفع الشق عبر الحبيبات عبر الشبكة الأوستينيتية. نظرًا لأن الشق ينمو دون ترقق كبير في الجدار، فقد يكون الفشل مفاجئًا وكارثيًا.

تعتبر آبار الغاز الحامض بمثابة عاصفة مثالية لشركة CSCC: فالمياه المنتجة عبارة عن محلول ملحي حار من الكلوريد؛ يعمل H₂S وCO₂ على تحمض هذا المحلول الملحي؛ وتتراوح درجات حرارة رأس البئر وقاع البئر بشكل روتيني بين 60 و150 درجة. متغير المادة المتحكمة هو محتوى النيكل. كما يوضح مفهوم منحنى كوبسون- في الشكل 1، تبلغ حساسية الكلوريد SCC ذروتها في نطاق النيكل 8-12% - بالضبط حيث تتواجد عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ 304/316 - وتنخفض بشكل حاد بمجرد أن يتجاوز النيكل 20-30% تقريبًا. تشرح هذه العلاقة الفردية سبب تشقق 316L في خدمة الكلوريد الساخن بينما لا يحدث ذلك في سبائك النيكل الأعلى-.

الشكل 1. رسم تخطيطي لحساسية كلوريد SCC - مقابل محتوى النيكل (مفهوم منحنى Copson-). ليس على نطاق واسع. علاقة نوعية. يقع Incoloy 825 (38–46% Ni) بعيدًا عن نطاق التكسير.

هل Incoloy 825 مقاوم لتكسير التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد؟

نعم. مع 38-46٪ من النيكل، يقع Incoloy 825 أعلى بكثير من نطاق حساسية كلوريد SCC ويعتبر على نطاق واسع محصنًا بشكل فعال ضد كلوريد SCC في خدمة H₂S العملية؛ في اختبار كلوريد المغنيسيوم المغلي (ASTM G36) يظل خاليًا من التشققات-حيث يفشل 316L خلال ساعات.

ثلاث آليات تعمل معًا. أولاً، تأثير النيكل: تؤدي زيادة النيكل إلى زيادة طاقة الصدع في التراص-للأوستنيت، لذلك تتقاطع عمليات الخلع-الانزلاق بسهولة وينتشر تشوه البلاستيك بشكل موحد بدلاً من تكوين أشرطة انزلاقية مستمرة تمزق الغشاء السلبي والشقوق النووية. إجماع الصناعة والبحث يضع عتبة المقاومة الواسعة بالقرب من 20-30٪ Ni؛ عند 38-46% Ni، يحمل Incoloy 825 هامش أمان كبير فوقه.

ثانيًا، تأثير الموليبدينوم: مع PREN ≈ 31، يمنع Incoloy 825 بدء الحفرة بشكل أفضل بكثير من 316L (PREN ≈ 25). الحفر هي مركزات الإجهاد التي تحول بيئة الكلوريد إلى حدث SCC، لذلك لا يمكن فصل مقاومة الحفر ومقاومة SCC في الممارسة العملية. ثالثًا، يمنع تثبيت التيتانيوم ترسيب كربيد الكروم - عند حدود الحبوب في المنطقة المتأثرة بحرارة اللحام -، وبالتالي تتجنب السبيكة البنية الدقيقة الحساسة التي تنشئ مسار SCC بين الحبيبات في حالة اللحام -.

تحذير واحد صادق: لا توجد سبيكة محصنة تمامًا. في اختبار كلوريد المغنيسيوم شديد الغليان -، كانت البيئة المعملية العدوانية المتعمدة أقسى بكثير من الخدمة الميدانية - حتى Incoloy 825 يمكن أن يتشقق بعد التعرض لفترة طويلة. ولذلك فإن المهندسين مؤهلون في مواجهة بيئة الخدمة الحقيقية بدلاً من الاعتماد على اختبار معملي واحد.

كيف يقاوم Incoloy 825 تكسير إجهاد الكبريتيد وهجوم H₂S؟

إن Incoloy 825 مؤهل للخدمة الحامضة في NACE MR0175/ISO 15156-3 باعتباره مادة مقاومة للتكسير - من النوع 4c CRA، وبصلابة أقل من أو تساوي 35 HRC فهو يقاوم التكسير الناتج عن إجهاد الكبريتيد (SSC) والتكسير الناجم عن الهيدروجين - (HIC)؛ لا يحمل تصنيف النوع 4c أي قيود على الضغط الجزئي العلوي لـ H₂S أقل من حوالي 132 درجة (270 درجة فهرنهايت).

تكسير الإجهاد الكبريتيد هو ظاهرة تقصف الهيدروجين. في الخدمة الحامضة، "يسمم" H₂S إعادة تركيب الهيدروجين الذري على سطح الفولاذ، لذلك ينتشر الهيدروجين الذري في المعدن ويهشم البنى الدقيقة الصلبة أو التي تحتوي على أطوار حساسة للهيدروجين - مثل المارتنسيت والبينيت. يتجنب Incoloy 825 المشكلة من خلال التصميم: شبكة لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) عالية الأوستنيتي بالكامل والنيكل مستقرة، ولا تحتوي على منتجات تحويل حساسة للهيدروجين-، وتتحمل الهيدروجين الممتص بشكل أفضل بكثير من الهياكل الحديدية أو المارتنسيتية.

NACE MR0175/ISO 15156 (الإصدار الحالي ISO 15156-3:2020) هو المعيار الحاكم للمواد في H₂S-التي تحتوي على إنتاج النفط والغاز. تم تصنيف Incoloy 825 على أنها سبيكة من النوع 4c في جداول CRA المعتمدة للجزء 3 (على سبيل المثال، الجدول A.14 في الإصدارات الحالية). الشروط المؤهلة هي: نماذج المنتجات المصنعة وفقًا للمواصفات المعمول بها، وحالة التلدين للمحلول-، والحد الأقصى للصلابة 35 HRC (بعض نماذج المنتجات ذات القوة العالية-المشغولة على البارد- تحمل حدودًا أقل، على سبيل المثال، 33 HRC). بالنسبة لتصنيف النوع 4c، لا يوجد أي قيود على الضغط الجزئي لـ H₂S أقل من 270 درجة فهرنهايت (≈132 درجة)، وتظل السبيكة مؤهلة حتى 200 رطل لكل بوصة مربعة من H₂S عند 350 درجة فهرنهايت (≈177 درجة).

ويحكم المعيار التشقق، وليس كل أشكال التآكل. لا يزال يتعين على المهندسين تقييم البيئة الكاملة - في-الأس الهيدروجيني في الموقع، وتركيز الكلوريد، ودرجة الحرارة، والكبريت العنصري ودخول الأكسجين - لأن التآكل العام والنقر تتم إدارته بواسطة كيمياء المواد والتحكم في العمليات، وليس من خلال قائمة SSC وحدها.

كيف يمكن مقارنة Incoloy 825 مع 316L و904L وسبائك 625 وC-276؟

بالنسبة للغاز الحامض المعتدل الذي يحتوي على كلوريدات ساخنة، فإن Incoloy 825 هو أفضل أداء من حيث التكلفة-: فهو يتفوق بكثير على 316L و904L في مقاومة الكلوريد SCC وتأهيل الخدمة -الحامض عند نقطة سعر مماثلة، بينما لا يتم تبرير السبائك 625 وC-276 إلا عندما تتجاوز درجة الحرارة أو الكلوريدات أو خطورة H₂S الغلاف العملي لـ 825.

يقارن الجدول 3 بين وزن المهندسين المرشحين الخمسة في أغلب الأحيان لخدمة الحامض والكلوريد.

جدول 3. مقارنة سبائك الخدمة -الحامضة (القيم الاسمية ومستويات التكلفة إرشادية وتعتمد على السوق-).

قراءة الجدول تبدأ بالنيكل. عند 10–14% Ni، يقع 316L داخل أسوأ جزء من منحنى كوبسون، ولهذا السبب تشققه خدمة الكلوريد الساخن - ويكون الغلاف ISO 15156-3 ضيقًا (المحلول-مُلدن فقط، حوالي 22 HRC أقصى صلابة، وكلوريد منخفض وحدود درجة الحرارة). 904L يرفع النيكل إلى 23-28% ويحسن SCC المقاومة، لكنه يظل من الفولاذ المقاوم للصدأ تحت عتبة المقاومة الواسعة ويحمل نفس النوع من قيود الصلابة.

إن Incoloy 825 بنسبة 38–46% Ni هو المستوى العائلي الأول بهامش كبير فوق نطاق التكسير، وهو الوحيد من بين درجات الحديد الثلاثة الغنية- المؤهلة لتكون من النوع 4c CRA مع سقف صلابة 35 HRC. تشتري السبائك 625 (PREN ≈ 52، درجة حرارة التنقر الحرجة أعلى من 80 درجة في 1M NaCl لكل ASTM G150) وC-276 (PREN ≈ 69) مقاومة أعلى للتنقر والشقوق بتكلفة أعلى بكثير؛ يكسبون سعرهم عند تجاوز مظروف 825. لاحظ أن PREN الخاص بـ Incoloy 825 الذي يبلغ ≈ 31 يقع بالقرب من 904L's - وميزته هي مقاومة SCC وSSC وتأهيل الخدمة الحامضة، وليس رقم الحفر.

الشكل 2. محتوى النيكل ومقاومة الحفر (PREN) لسبائك الخدمة الحامضة - (قيم التركيب الاسمية؛ PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N).

أين يتم استخدام Incoloy 825 في الخدمة الغنية بالغاز الحامض والكلوريد-؟

يتم تحديد Incoloy 825 أينما يلتقي H₂S بمحلول كلوريد ساخن: الأنابيب الموجودة في قاع البئر والأغلفة في آبار الغاز الحامض، وخطوط التدفق الحامضية وأنظمة التجميع، ومعدات رأس البئر والسطح، وخطوط حقن المياه المنتجة-والكيميائية-، والمبادلات الحرارية -، كما أنه مناسب أيضًا في المصانع الكيميائية التي تتعامل مع أحماض الكبريتيك والفوسفوريك والأحماض المختلطة.

يلخص الجدول 4 مجالات التطبيق الرئيسية ووظيفة التآكل التي يتطلبها كل منها.

الجدول 4. تطبيقات Incoloy 825 التمثيلية في الخدمة الغنية بالغاز الحامض والكلوريد-.

ما هي الحدود العملية لـ Incoloy 825 في خدمة H₂S؟

كقاعدة اختيار عملية، يناسب Incoloy 825 الخدمة الحامضة مع ضغط جزئي لـ H₂S أقل من حوالي 0.1 ميجا باسكال (15 رطل لكل بوصة مربعة)، ودرجة حرارة أقل من حوالي 150 درجة وكلوريد أقل من 20000 جزء في المليون تقريبًا؛ بعد ذلك الغلاف - أو عندما ينخفض ​​الرقم الهيدروجيني إلى أقل من ~3.5، يحدث دخول الأكسجين، أو تطبق شروط HPHT - يتقدم المهندسون إلى السبائك 625، C-276 أو ما يعادلها من درجات السبائك الأعلى.

يحدد تصنيف ISO 15156-3 النوع 4c حدود التشقق؛ يعكس المغلف العملي أعلاه إرشادات نشر الصناعة المستخدمة على نطاق واسع لـ Incoloy 825 في الآبار الحمضية، وهو نقطة بداية، وليس بديلاً للتقييم الخاص بالمشروع.

الحدود موجودة لأسباب مادية. PREN ≈ 31 أغطية مقاومة للتنقر والشقوق عند درجة حرارة مرتفعة، والتنقر هو مقدمة للكلوريد SCC. مع ارتفاع درجة الحرارة، يصبح الفيلم السلبي أقل حماية وتصبح الكلوريدات أكثر عدوانية؛ مع ارتفاع الضغط الجزئي لـ H₂S وتركيز الكلوريد معًا، يزداد خطر الانتقال من الحفرة - إلى - والتآكل العام (بما في ذلك ترسب الكبريت). عناصر مثل دخول الأكسجين أو الرقم الهيدروجيني أقل من ~ 3.5 تزيد من تضييق النافذة الآمنة. هذه هي بالضبط الحالات التي يحصل فيها الموليبدينوم الأعلى في السبائك 625 أو C-276 على علاوة التكلفة.

تتضمن مشغلات الترقية النموذجية من Incoloy 825 إلى Alloy 625 أو C-276 ما يلي:

• درجة الحرارة -درجة حرارة التشغيل المستمرة فوق ~ 150 درجة.
• الكلوريدات -تركيز الكلوريد أعلى من 20000 جزء في المليون تقريبًا مع ارتفاع درجة الحرارة.
• خطورة H₂S -الضغط الجزئي لـ H₂S أعلى من ~0.1 ميجا باسكال (15 رطل لكل بوصة مربعة) مع الماء المجاني.
• الرقم الهيدروجيني -في-الأس الهيدروجيني في الموقع أقل من ~3.5 أو مرحلة مكثفة من الأس الهيدروجيني- منخفضة.
• ظروف الأكسدة -دخول الأكسجين أو الأنظمة الهوائية التي تكسر السلبية.
• خدمة فائقة -آبار HPHT، أو ترسب-الكبريت العنصري، أو دورات الإغلاق المتكررة-في/بدء-التشغيل.

كيف ينبغي لحام Incoloy 825 وتصنيعه للخدمة الحامضة؟

يتم لحام Incoloy 825 بسهولة من خلال العمليات التقليدية باستخدام أكثر من-حشوات النيكل المسبوكة - عادةً سبيكة 82 (ERNiCr-3) أو سبيكة 625 (ERNiCrMo-3). نظرًا لأن السبيكة مثبتة بالتيتانيوم-، فإن التلدين بمحلول ما بعد اللحام ليس مطلوبًا بشكل عام لاستعادة مقاومة التآكل؛ الضوابط الحاسمة للخدمة الحامضة هي معدن اللحام وصلابة HAZ (أقل من أو تساوي 35 HRC)، ونظافة السطح، وإجراءات اللحام المؤهلة.

استقرار التيتانيوم هو الحقيقة المعدنية الرئيسية. يتحد التيتانيوم بشكل تفضيلي مع الكربون، لذلك يبقى الكروم في المحلول الصلب في منطقة اللحام المتأثرة-بالحرارة ويتم منع ترسيب كربيد الكروم-(التحسس) في الحالة الملحومة-. وبالتالي، يتجنب Incoloy 825 التآكل الحبيبي ومسار SCC الذي يصيب درجات الفولاذ غير المستقرة بعد اللحام، كما أن المعالجة الحرارية بعد اللحام ليست مطلوبة بشكل عام ولا يوصى بها لهذه الدرجات الأوستنيتي المستقرة.

يتبع اختيار الحشو ممارسة CRA القياسية: مطابقة Alloy 82 (ERNiCr-3) لمعظم التطبيقات، أو أكثر من-سبائك 625 (ERNiCrMo-3) حيث يكون الحد الأقصى لهامش التآكل مطلوبًا. يتم تطبيق ممارسة سبائك النيكل- في جميع أنحاء - الأسطح النظيفة والمنخفضة الكبريت؛ التحكم في إدخال الحرارة ودرجة الحرارة البينية؛ والتجنب الصارم للتلوث بالفولاذ الكربوني الناتج عن الأدوات أو الطحن.

بالنسبة إلى تأهيل الخدمة الحامضة-، ينطبق نفس سقف الصلابة الذي ينطبق على المعدن الأساسي على معدن اللحام والمنطقة المتضررة -الحرارية. تعد استبيانات الصلابة (وفقًا لمعيار ASTM E10/E18) بمثابة خطوة قبول قياسية، وتكملها المشروعات المهمة باختبار SSC وفقًا لمعيار NACE TM0177 وتأهيل الحفر وفقًا لمعيار ASTM G48. الانتقاء أو التخميل بعد التصنيع يكمل إعداد السطح.

كيف أختار بين Incoloy 825 والسبائك الأخرى المقاومة للتآكل؟

اختر Incoloy 825 عندما تقترن البيئة بـ H₂S مع الكلوريدات في درجات حرارة وضغوط معتدلة؛ تقييد 316L و904L بظروف كلوريد معتدلة ومنخفضة-؛ والانتقال إلى سبيكة 625 أو C-276 عندما تتجاوز درجة الحرارة أو الكلوريدات أو خطورة H₂S غلاف 825.

تتبع عملية الاختيار المنضبطة خمس خطوات.

الخطوة 1 -حدد بيئة الخدمة: الضغوط الجزئية لـ H₂S وCO₂، ودرجة الحرارة، ودرجة الحموضة -في الموقع، وتركيز الكلوريد، والكبريت العنصري، ودخول الأكسجين، وانقطاع المياه، والظروف المضطربة.

الخطوة 2 -التحقق من المعيار: تأكد من إدراج المرشح في الإصدار الأخير من NACE MR0175/ISO 15156-3 للحصول على الخدمة الدقيقة، بما في ذلك حدود الصلابة لكل من شكل المنتج واللحامات.

الخطوة 3 -رتّب مخاطر الفشل: كلوريد SCC (محتوى النيكل مقابل منحنى كوبسون)، SSC/HIC (الصلابة والبنية المجهرية)، والتآكل الشقّي (PREN ودرجة حرارة التنقر الحرجة).

الخطوة 4 -قارن اقتصاديات عمر الأصول: تكلفة المواد، والتصنيع، والمواد الاستهلاكية للحام، والفحص، والعمر المتوقع. عادةً ما يكون Incoloy 825 هو الخيار الأمثل للخدمة الحامضة المعتدلة؛ مزدوج أو 904L فقط عندما تكون الكلوريدات وH₂S خفيفة؛ سبيكة 625 أو C-276 فقط للحالات القاسية.

الخطوة 5 -التحقق من صحة البيانات: اختبار التآكل مثل NACE TM0177 (SSC)، وASTM G48 (التنقر)، وASTM G36 (SCC)، مدعومًا بمهندس تآكل مؤهل قبل الشراء النهائي.