H2S에서 316L 스테인리스강의 사용 중 응력 부식 균열

응력 부식 균열(SCC)은 인장 응력과 부식 환경의 결합된 영향으로 인해 발생하는 균열입니다. 최악의 경우 일반적으로 연성이 있는 금속 합금, 특히 고온에서 갑작스런 파손으로 이어질 수 있습니다. (이 주제에 대한 소개는 파이프라인에서 응력 부식 균열을 일으키는 원인은 무엇입니까?)

파이프의 응력 부식 균열(SCC) 사고

2011년 7월 사고에서 2인치 직경의 파이프에서 압축기 공장의 압력 안전 밸브로 누출이 보고되었습니다. 이후 이틀 동안 유사한 라인에서 2건의 추가 누출이 보고되었습니다. 그림 1의 빨간색 선은 인접한 압축기 트레인의 압력 안전 밸브 상류에 위치한 두 개의 플레어 파이프에서 누출 위치를 보여줍니다.

그림 1. 오류 위치를 보여주는 프로세스 개략도

각 실패는 수평 단면의 파이프에서 엘보우 용접에 위치했습니다. 누출은 상단 파이프 섹션과 용접의 열 영향 영역(HAZ) 내에서 발생했습니다. 실패한 모든 섹션은 추가 조사를 위해 제거되었습니다.

응력 부식 균열 사고 조사

파이프의 아래쪽 절반에서 검은 침전물이 발견되었는데, 이는 이 위치에 액체가 축적되었음을 나타냅니다. 현미경 검사에서도 13mm 헤어라인 균열을 포함하여 파이프 외부 표면에 균열이 있음이 밝혀졌습니다. 부식 생성물을 제거하기 위해 질산으로 세척한 후 육안으로 균열이 보였습니다.

매크로 사진은 홈과 균열이 용접과 모재에서 주로 발생했음을 보여줍니다. 응력 부식 균열은 일부 분기가 있는 입계 균열의 뚜렷한 형태적 특징을 가지고 있습니다(그림 2).

그림 2. 분기를 보여주는 응력 부식 균열의 현미경 사진
출처:NASA 부식 공학 연구소.

실패의 근본 원인

황화수소 농도(H₂ S) 압축기 배출로부터의 플래시 가스는 약 11 mol.-%(5.5 bar 분압)이었다. 또한 염화물 함량이 260 – 900ppm인 물로 포화되었습니다. 정상 작동 온도는 52°C(126°F)이며, 이는 염화물이 있는 경우 오스테나이트계 스테인리스강에 대한 ISO 15156 한계보다 약간 낮습니다. 더운 여름 주변 온도와 튜브 핀의 오염도 이미 가혹한 환경을 악화시켰습니다. 표준 유지 관리 절차는 냉각기를 끄고 핀을 물로 세척한 다음 개선된 냉각 기능으로 냉각기를 다시 켜는 것이었습니다. 단, 시술 중 쿨러의 전원을 끄면 일시적으로 고온이 발생합니다.

NACE MR0175 및 ISO 15156 이해

NACE MR0175 및 ISO 15156은 H₂에서 사용하기 위한 재료에 대한 표준입니다. 석유 및 가스 생산의 S 함유 환경 및 H₂ 임계값 제한 권장 사항으로 발행되었습니다. 환경 균열에 대한 예방 조치가 필요한 것으로 간주되는 S. 2003년 첫 발행에서 AISI 316L 스테인리스강의 한계는 염화물이 50ppm을 초과할 때 최대 60°C(140°F)입니다.

실험실 테스트를 수행한 후 연구자들은 오스테나이트계 스테인리스 강의 제한이 원래 ISO 15156 제한보다 더 가혹한 환경으로 확장될 수 있다고 주장했습니다. 2007년에 AISI 316 재료에 대한 제한 사항이 업데이트되어 2009년 버전의 표준에서 공식적으로 승인되었습니다.

업계에서 보고된 오류는 현재 ISO 15156 제한 사항에 따라 취약한 것으로 간주되지만 최근에 제안된 완화 조치에서는 취약하지 않은 것으로 분류되는 환경에서 발생했습니다. 보고된 고장의 대부분은 다른 시설에서 4개월 및 최대 3.5년의 서비스 기간 후에 발생했습니다.

보고된 몇 가지 오류가 그림 3에 표시되고 표시됩니다. 세 가지 색상 영역은 ISO 15156에 의해 부과된 제한을 원래 형식 (색상 1)으로 나타냅니다. , 2007년과 2009년에 모두 수정됨 (색상 2) , 그리고 최근에 제안된 추가 완화 (색상 3) . 노란색 실험실 테스트를 기반으로 허용되는 영역. 이는 실험실 테스트와 업계 경험 사이에 격차가 있음을 나타냅니다.

그림 X. 최대 염화물 함량이 1000mg일 때 AISI 316/316L의 산업 실패 플롯 /L.

불일치에 대한 첫 번째 가능한 설명은 실험실 테스트가 액체 환경에서 수행되는 반면 보고된 실패는 증기 상태에서 발생했다는 것입니다. 습한 증기는 증발 및 응축의 영향으로 인해 염화물이 축적되기 쉽습니다. 앞서 언급한 사건에서 실패한 부품의 내부 표면에서 제거된 고형물에는 액체의 농도를 초과하는 높은 농도의 염화물이 포함되어 있었습니다.

두 번째 요인은 용접마다 달라지는 잔류 응력일 수 있습니다. 테스트 결과는 용접 매개변수에 따라 용접된 시편의 경우 상당히 다를 수 있습니다. (관련자료:용접이음부 부식의 원인 및 예방)

셋째, 오스테나이트계 재료의 응력부식균열은 상당한 잠복기를 필요로 한다. 테스트 노출 시간은 중요한 요인이 될 수 있으며 일반적으로 실험실에서 수행되는 가속 테스트에서 재현하기 어렵습니다.

마지막으로 열 착색 및 열 영향 영역을 포함한 용접물의 표면 상태는 금속의 내식성에 영향을 줄 수 있습니다. 히트 틴트는 모재와 용접물의 열 이력에 따라 다양한 산화물로 구성됩니다. 산화물 형태에 따라 내식성 값이 다릅니다.

응력 부식 균열 방지

용접시 발생하는 잔류응력은 응력제거 소둔에 의해 완화될 수 있으며 탄소강에 일반적으로 사용된다. 그러나 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 잔류 응력 임계값은 염화물 환경에서 매우 낮습니다. 결과적으로 염화물 함유 환경에서 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 어닐링 또는 용접 후 열처리가 덜 효과적입니다.

용접 중 생성된 인장 응력을 상쇄하기 위해 잔류 압축 응력을 도입하기 위해 기계적 작업 또는 처리를 수행할 수 있습니다. 쇼트 피닝 또는 그릿 블라스팅과 같은 처리는 표면 압축 응력을 유발하고 SCC를 제어하는 ​​데 도움이 됩니다.

응력 부식 균열에 대한 합금 구성의 영향

염화물 SCC에 대한 내성은 사용되는 스테인리스강의 유형에 따라 다릅니다. 스테인리스강의 오스테나이트 등급은 SCC에 더 취약하며 SCC에 대한 내성은 니켈 함량에 따라 다릅니다.

니켈 함량이 8~10wt% 범위인 오스테나이트 등급(예:304/304L 및 316/316L)은 SCC로 인해 이러한 공격을 받기 쉽습니다. 합금 20, 904L 및 6% 몰리브덴 슈퍼 오스테나이트 등급과 같이 니켈 및 몰리브덴 함량이 높은 오스테나이트 등급은 SCC에 대해 우수합니다.

유형 430 및 444와 같은 페라이트 등급의 스테인리스강도 염화물 SCC에 매우 강합니다.

실험실 테스트 외에도 실제 산업 경험은 표준, 코드 제한 요구 사항을 결정하고 특정 환경 조건에서 사용할 재료를 승인하는 데 중요한 요소입니다. 고려해야 할 중요한 사항은 증기와 액체 환경 사이에 존재하는 차이, 잔류 응력의 역할, 테스트 기간 및 용접 표면 상태입니다. 이러한 고려 사항을 바탕으로 ISO 15156은 이 문서에 설명된 유사한 사고를 방지함으로써 산업 안전을 개선할 수 있습니다.