Каковы распространенные виды отказов труб из мартенситной нержавеющей стали во время эксплуатации?

Трубы из мартенситной нержавеющей стали ценится за свою высокую прочность и умеренную коррозионную стойкость, что делает его незаменимым в таких критических отраслях, как химическая переработка нефти и газа и производство электроэнергии. Однако в условиях высоких напряжений и специфических агрессивных сред MSS очень восприимчив к растрескиванию, вызванному воздействием окружающей среды, что является распространенным и серьезным видом разрушения.

1. Сульфидное растрескивание под напряжением (SSC).

SSC представляет собой наиболее разрушительный механизм разрушения трубок MSS в условиях «серой эксплуатации» нефти и газа, где присутствует сероводород HS.

• Механизм: сероводород разлагается на поверхности металла с образованием атомарного водорода, который проникает в сталь. Области высокой прочности и локализованной концентрации напряжений мартенситной стали, такие как зоны холодной обработки или сварные швы, являются основными местами накопления водорода. Захваченный водород вызывает локальное снижение пластичности и охрупчивание, что приводит к внезапному разрушению под действием растягивающих напряжений, значительно ниже предела текучести материала.

• Зоны высокого риска: сваривать зоны термического влияния (ЗТВ) с высокой концентрацией напряжений и трубы с неконтролируемым уровнем твердости (чрезмерной твердостью).

• Тенденции отрасли: Из-за увеличения парциального давления HS в глубоких и сверхглубоких скважинах промышленность смещается в сторону сверхнизкоуглеродистых и никелевых мартенситных сталей в сочетании со строгими процессами высокотемпературного отпуска для минимизации восприимчивости к SSC.

2. Хлоридное коррозионное растрескивание под напряжением (CISCC)

• Механизм: ионы хлорида повреждают пассивную пленку на поверхности нержавеющей стали, создавая места для концентрации напряжений. При длительном растягивающем напряжении возникают и распространяются трещины либо транскристаллитно, либо межкристаллитно, что в конечном итоге приводит к разрушению стенки.

• Типичные области применения: парогенераторы на электростанциях, системы очистки высококонцентрированных солевых растворов и некоторые высокотемпературные химические трубопроводы высокого давления.

ВТОРАЯ КАТЕГОРИЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА И УСТАЛОСТНЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ

Поскольку трубы MSS часто используются в несущих и динамических компонентах, их выход из строя часто напрямую связан с циклическими напряжениями или экстремальными механическими нагрузками.

1. Усталостный отказ

Усталость является наиболее распространенным видом механического разрушения высокопрочных материалов при циклических нагрузках, таких как колебания давления жидкости или механическая вибрация.

• Механизм: Трещины обычно возникают на поверхностных дефектах, царапинах на внутренней стенке, коррозионных ямках или микроскопических включениях. Периодическое циклическое напряжение вызывает накопление повреждений в пластической зоне у вершины трещины, что приводит к медленному распространению трещины до тех пор, пока оставшееся поперечное сечение больше не может выдерживать мгновенную нагрузку, что приводит к внезапному хрупкому разрушению.

• Зоны повышенного риска: Валы насосов, лопатки турбин, в которых мартенситная сталь используется для корневых участков и участков с высокой вибрацией в магистральных транспортных трубопроводах.

• Техническая задача: усталостная прочность очень чувствительна к целостности поверхности. Точная полировка поверхности и контроль глубины наклепанного слоя имеют решающее значение для увеличения усталостной долговечности MSS.

2. Водородное охрупчивание (HE).

Тесно связанный с SSC HE может быть вызван производственными процессами, такими как гальваника или травление, или неправильной катодной защитой во время эксплуатации, независимо от присутствия сульфидов.

• Механизм: Сталь поглощает атомарный водород, что приводит к резкому снижению пластичности, вязкости и прочности на излом. Даже без внешних коррозионных агентов, если присутствует растягивающее напряжение, атомы водорода будут способствовать зарождению и росту трещин.

ТРЕТЬЯ КАТЕГОРИЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТИ И МИКРОСТРУКТУРНАЯ ДЕГРАДАЦИЯ

Характеристики мартенситной нержавеющей стали во многом зависят от ее стабильной закаленной микроструктуры. Неправильное температурное воздействие может привести к микроструктурной деградации и резкому снижению производительности.

1. Температурная хрупкость

Некоторые легирующие элементы, такие как фосфор, олово и сурьма, могут сегрегировать по границам зерен во время медленного охлаждения или длительного воздействия в диапазоне от 350 до 550 градусов Цельсия. Это приводит к существенной потере ударной вязкости стали, что приводит к отпускной хрупкости.

• Последствие: хотя твердость может существенно не измениться, сопротивление материала ударному напряжению быстро ухудшается при низких температурах или высоких скоростях деформации, что делает его очень восприимчивым к хрупкому разрушению.

• Профилактические меры: применение закалки в воде или быстрого охлаждения в критическом диапазоне температур охрупчивания после отпуска.

2. Охрупчивание при 475 градусах Цельсия и осаждение сигма-фазы.

Длительное воздействие мартенситной нержавеющей стали в диапазоне от 400 до 500 градусов C может привести к выделению фаз, богатых хромом, особенно при температуре около 475 градусов C, вызывая явление, известное как охрупчивание при 475 градусов C. Кроме того, длительное воздействие при более высоких температурах, таких как от 600 до 900 градусов C, может вызвать выделение твердой и хрупкой сигма-фазы.

• Воздействие: оба явления значительно снижают пластичность и ударную вязкость материала, одновременно снижая коррозионную стойкость.

• Рекомендации по применению: Долгосрочная рабочая температура трубок MSS должна быть строго ограничена при проектировании, чтобы избежать этих чувствительных температурных диапазонов.