Erosie-Corrosie in roestvrijstalen leidingen: stroomsnelheidslimieten per soort

Wat is erosie-Corrosie, en waarom wordt dit door de stroomsnelheid onder controle gehouden?

Erosie-corrosie is het versnelde metaalverlies dat optreedt wanneer stromende vloeistof de beschermende passieve film van roestvrij staal mechanisch verstoort, sneller dan de film zich kan hervormen - en de stroomsnelheid is de enige variabele die bepaalt of die verstoring plaatsvindt.

Roestvast staal en nikkellegeringenzijn bestand tegen corrosie omdat chroom (en, in hogere kwaliteiten, molybdeen en nikkel) een dunne, zelf-herstellende passieve film van chroom-oxide op het oppervlak vormt. Onder statische omstandigheden of omstandigheden met lage- snelheid wordt elke lokale schade aan deze film vrijwel onmiddellijk opnieuw gepassiveerd. Erosie-Corrosie begint wanneer stroomsnelheid, turbulentie of meegevoerde deeltjes de film sneller mechanisch verwijderen dan de repassiveringsreactie deze opnieuw kan opbouwen. Zodra blank metaal herhaaldelijk wordt blootgesteld, corrodeert de onderliggende legering met een veel hogere snelheid dan bij statische onderdompeling - vaak gelokaliseerd bij ellebogen, T-stukken, verloopstukken, lassen en stroomafwaarts van kleppen waar de stroming zich scheidt of versnelt.

Omdat het mechanisme eerder mechanisch-elektrochemisch dan puur chemisch is, kan erosie-corrosie niet worden voorkomen door materiaalselectie alleen met onbeperkte snelheid. Elke kwaliteit heeft een drempelsnelheid waarboven de passieve film geen gelijke tred kan houden met mechanische verwijdering, en die drempel - en niet de algemene corrosieweerstand in een coupontest - is wat het leidingontwerp regelt bij hoge- toepassingen.

Wat bepaalt of de ene graad beter presteert dan de andere?

Erosie-corrosieweerstand komt nauw overeen met het Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) van de legering. - Een hoger chroom-, molybdeen- en stikstofgehalte produceert een hardere, sneller-herstellende passieve film die hogere stroomsnelheden tolereert voordat de schade sneller herstelt.

PREN, berekend als %Cr + 3.3×%Mo + 16×%N, is ontwikkeld om de putweerstand te beoordelen, maar correleert sterk met erosie-corrosietolerantie omdat beide faalwijzen afhankelijk zijn van dezelfde passieve-filmstabiliteit. Soorten met hogere PREN-waarden hervormen hun beschermende oxidelaag sneller na mechanische verstoring, waardoor ze bestand zijn tegen hogere schuifspanningen in de wand en een hogere deeltjesimpactenergie- voordat het netto metaalverlies aanzienlijk wordt.

Microstructuur is ook van belang. Duplex- en superduplexkwaliteiten combineren austeniet- en ferrietfasen, waardoor ze een hogere vloeigrens hebben dan austenitische kwaliteiten met vergelijkbare PREN - een mechanische eigenschap die helpt weerstand te bieden aan de -verhardings- en micro-snij-effecten van vaste stoffen-beladen stroming, onafhankelijk van het voordeel van chemische passivatie. Dit is de reden dat duplexkwaliteiten vaak worden gespecificeerd voor erosieve toepassingen, zelfs wanneer een eenfasige austenitische kwaliteit een vergelijkbare algemene corrosieweerstand zou bieden bij statische onderdompeling.

Representatieve PREN-waarden per graadfamilie

PREN-waarden zijn representatieve middelpunten berekend op basis van de nominale chemie volgens de ASTM A240/A276/A182-samenstellingsbereiken; verifiëren aan de hand van het Mill Test Report (MTR) van de specifieke warmte voor projectgebruik.

Wat zijn de aanbevolen stroomsnelheidslimieten voor gangbare leidingkwaliteiten?

Bij schoon gebruik zonder vaste stoffen- bereiken standaard austenitische kwaliteiten een topsnelheid van ongeveer 3-5 m/s, duplex 2205 breidt dat bereik uit tot ongeveer 4-8 m/s, superduplex- en 6Mo-kwaliteiten bereiken 8-12 m/s, en nikkellegeringen zoals Alloy 625 worden specifiek gebruikt waar snelheden hoger zijn dan wat welke roestvaste kwaliteit dan ook kan verdragen.

De onderstaande bereiken zijn technische uitgangspunten en geen vaste toegestane waarden. Ze synthetiseren de API RP 14E C-factormethodologie (die hogere C-factoren, en dus een hogere toelaatbare snelheid, toewijst aan erosie-resistente materialen) met erosie-corrosieonderzoek op individuele kwaliteiten. Elk project moet limieten bevestigen voor de vloeistofsamenstelling, de belasting van vaste stoffen, de temperatuur en de specifieke leidinggeometrie. - Zie de secties die volgen voor hoe elke variabele het getal verschuift.

Bereik samengesteld op basis van het API RP 14E-framework voor erosie-snelheid C--factoren (13Cr roestvrij C≈300; duplex roestvrij C≈350, nominaal vaste stoffen-vrij), gepubliceerde erosie-corrosietestgegevens op 2205 duplex in zand-beladen zeewater (kritische snelheid ≈4 m/s) en standaard industriële ontwerppraktijken. Controleer de project-specifieke stroom-lus- of veldgegevens voordat u de lijngrootte definitief maakt.

Hoe is de API RP 14E C-Factormethode van toepassing op roestvrije en duplexkwaliteiten?

De erosiesnelheidsvergelijking van API RP 14E, Ve=C ÷ √ρm, is geschreven voor koolstofstaal, maar wordt doorgaans uitgebreid naar roestvrij en duplex leidingwerk door een hogere C-factor - te vervangen, ongeveer 300 voor 13Cr roestvrij staal en 350 voor duplex roestvrij staal in nominaal vaste stoffen-gratis service - waardoor de berekende toelaatbare snelheid toeneemt in verhouding tot de hogere materiaalsnelheid erosie-corrosietolerantie.

In de oorspronkelijke API RP 14E-vergelijking is Ve de erosiesnelheidslimiet in ft/s, is ρm de dichtheid van het gas{1}}vloeistofmengsel bij stromende omstandigheden in lb/ft³, en is C een empirische constante die verband houdt met de ernst van het materiaal en de service. De standaard C=100 van de API voor continue koolstof--staalservice is conservatief ontwikkeld en uit latere veldstudies is gebleken dat deze te voorzichtig is voor veel schone, niet-geschuurde systemen. - Sommige operators melden aanvaardbare prestaties bij C--factoren ruim boven 200 zodra de corrosieremming en het vastestofgehalte onder controle zijn.

Voor roestvrijstalen en duplex leidingen verhoogt de industriële praktijk de C--factor substantieel boven de basislijn van koolstof- staal om de hogere erosie-corrosiedrempel weer te geven: waarden rond 300 voor 13Cr roestvrij staal en 350 voor duplex roestvrij staal worden vaak aangehaald voor nominaal vaste stoffen-vrije service. Omdat API RP 14E zelf geen onverbrekelijke-specifieke C--factoren definieert, fungeren deze cijfers als ontwerprichtlijnen op basis van ervaring van operators en aanvullende onderzoeken, en niet als een verplichte codevereiste. - technici zouden ze moeten beschouwen als uitgangspunt voor de dimensionering, onder voorbehoud van verificatie ten opzichte van de specifieke service.

Verandert zand of andere meegevoerde vaste stoffen de snelheidslimiet?

Ja - het vaste stofgehalte is de grootste modificator van erosie-corrosiesnelheidslimieten, en gepubliceerde testgegevens laten zien dat zelfs een goed-gepassiveerde kwaliteit zoals 2205 duplex daalt tot een kritische snelheid van bijna 4 m/s zodra zand wordt meegevoerd in de stroming, vergeleken met ongeveer het dubbele van die in schoon zeewater.

Erosie-corrosieonderzoek op 2205 duplex roestvrij staal in stromend zeewater met zanddeeltjes heeft een kritische snelheid van bijna 4 m/s geïdentificeerd, waarboven erosie-corrosieschade scherp toeneemt naarmate de stroomsnelheid stijgt en het massaverlies versnelt naarmate het zandgehalte toeneemt. Beneden die drempel is er mechanische impact van deeltjes aanwezig, maar de corrosie-geassisteerde verwijdering van de passieve film domineert de schade; daarboven verschuift het mechanisme naar door erosie-gedomineerde slijtage die de repassivering ver overtreft.

Dit is de reden waarom API RP 14E expliciet weigert een vaste C-factor aan te bieden voor solids-beladen service en in plaats daarvan oproept tot project-specifieke tests. Een snelheid die comfortabel conservatief is in een gefilterde, schone processtroom kan ver voorbij de erosie-corrosiedrempel liggen in een ongefilterd geproduceerde- water- of slurrylijn met gebruikmaking van dezelfde buiskwaliteit en wanddikte. Elke snelheidstabel -, inclusief die in dit artikel -, moet als niet van toepassing worden beschouwd zodra de lading van vaste stoffen een paar pond per duizend vaten overschrijdt zonder project-specifieke verificatie.

Hoe moeten snelheidslimieten worden aangepast voor specifieke serviceomstandigheden?

De chlorideconcentratie, de temperatuur en het opgeloste gasgehalte verschuiven elk de effectieve snelheidslimiet, onafhankelijk van het gehalte aan vaste stoffen, zodat dezelfde kwaliteit een andere toegestane snelheid kan hebben bij zeewaterinjectie, geproduceerd water en geothermische pekel, zelfs bij identieke deeltjesbelasting.

Zeewater en chloride-Rijke service

Chloriden vallen de passieve film rechtstreeks aan via putjes, waardoor de drempel voor erosie{0}}corrosie wordt verlaagd, omdat de film al verzwakt is voordat de mechanische verstoring begint. In zeewater op volle-sterkte is de snelheid van 316L vaak-beperkt tot ruim onder de zuivere- waterclassificatie, specifiek om putrisico's te beheersen, en duplex- of super-duplexkwaliteiten zijn de standaardspecificatie zodra het chloridegehalte of de temperatuur stijgt.

Verhoogde temperatuur

Passieve{0}}filmrepassiveringskinetieken vertragen naarmate de temperatuur stijgt in agressieve media, waardoor de marge kleiner wordt tussen de snelheid die verstoring veroorzaakt en de snelheid waarmee de film kan genezen. Erosieve service bij hoge- temperaturen - geothermische pekel, hete processtromen - zorgen er doorgaans voor dat de kwaliteit wordt gekozen in de richting van hogere-PREN-duplex-, super-austenitische of nikkel--legeringsleidingen, zelfs bij stroomsnelheden die een lagere kwaliteit zou verdragen bij omgevingstemperatuur.

Opgelost CO2 en H2S

In systemen voor het verzamelen van olie en gas vormt opgelost CO2 koolzuur dat elk blootgesteld basismetaal sneller aantast dan gewoon water, waardoor de erosie-corrosie toeneemt zodra de passieve film wordt doorbroken. De NACE MR0175/ISO 15156 zure-servicevereisten leggen aanvullende metallurgische beperkingen - zoals hardheidslimieten en warmte-behandelingsomstandigheden - bovenop de erosie-corrosiesnelheidslimiet, en aan de twee reeksen vereisten moet gelijktijdig worden voldaan in plaats van onafhankelijk.

Wat gebeurt er als een snelheidslimiet wordt overschreden?

Het overschrijden van de erosie-corrosiesnelheidslimiet veroorzaakt een gelokaliseerd, versnellend wanddikteverlies - meestal bij ellebogen, T-stukken en stroomafwaarts van restricties - dat veel sneller kan evolueren van een vondst op coupon-schaal naar een door- wandlek dan uniforme corrosie zou voorspellen.

Omdat erosie-corrosie zichzelf-versterkt, verhoogt het dunner worden op een locatie met veel-turbulentie de lokale ruwheid en turbulentie-intensiteit, waardoor de filmverwijdering op datzelfde punt verder wordt versneld. Dit levert het karakteristieke hoefijzervormige -vormige of geschulpte wandverliespatroon- op dat wordt aangetroffen op ellebooguitsteeksels, T-takken en reductie-uitlaten in defecte leidingen - schade die een algemene berekening van de corrosie-toeslag op basis van uniform metaalverlies niet kan voorspellen.

In de praktijk betekent dit dat inspectieprogramma's voor lijnen die gevoelig zijn voor erosie-corrosie- prioriteit moeten geven aan geometrische discontinuïteiten met behulp van ultrasone diktekartering, in plaats van te vertrouwen op de trend van gemiddeld muurverlies- alleen.

Hoe moeten ingenieurs de juiste soort kiezen voor hogesnelheidsleidingen?

Selecteer de laagste-PREN-kwaliteit die voldoet aan de werkelijke snelheid, vaste stoffen, chloride- en temperatuurgrenzen van het project, met een marge - en niet de hoogste-PREN-kwaliteit die beschikbaar is -, aangezien leidingen van duplex-, superduplex- en nikkel--legeringen een aanzienlijke kostenpremie met zich meebrengen ten opzichte van standaard austenitische kwaliteiten.

Een praktische selectiereeks- begint met 316L als basislijn voor gratis service met gemiddelde snelheid, lage- chloriden en vaste stoffen-. Waar blootstelling aan zeewater, zandmeevoering of snelheden van meer dan ongeveer 5 m/s worden verwacht, is 2205 duplex de standaard upgrade, die een aanzienlijke sprong in zowel PREN als vloeigrens biedt tegen een gematigde kostenstijging ten opzichte van austenitische kwaliteiten. Superduplex 2507 en 6Mo super-austenitische kwaliteiten zoals 254 SMO zijn gereserveerd voor de hoogste-snelheid of hoogste- chloridesegmenten van een systeem - vaak korte hoge-turbulentiespoelen, choke- en regelkleptrim of injectieheaders - in plaats van gespecificeerd over een hele lijn, waardoor de kosten onder controle blijven en toch de bescherming van de hoogste-risicopunten.

Nikkellegeringen zoals Alloy 625 komen in aanmerking wanneer snelheid, temperatuur en chloridegehalte samen hoger zijn dan wat elke roestvrije familie op betrouwbare wijze kan verdragen, of wanneer galvanische compatibiliteit met bestaande apparatuur van nikkel-legeringen vereist is. Omdat Alloy 625 en vergelijkbare nikkellegeringen in deze vergelijking de hoogste materiaalkosten met zich meebrengen, worden ze doorgaans selectief toegepast - bij jetpompen, smoorspoelen en andere punt-broncomponenten met hoge- snelheid - in plaats van voor volledige pijpleidingen, waarbij duplex- of superduplex-leidingen de rest van de lijn dragen.

Veelgestelde vragen

Q: Wat is de maximale snelheid voor 316L roestvrijstalen buizen?

A: Bij schoon, vaste stoffen-vrij gebruik is 316L doorgaans beperkt tot ongeveer 3-5 m/s (10-16 ft/s). In zeewater of andere chloriderijke vloeistoffen wordt de praktische limiet gewoonlijk lager gesteld om het risico op putcorrosie te beheersen in plaats van pure erosie, en in plaats daarvan worden duplexkwaliteiten vaak gespecificeerd zodra chloriden aanwezig zijn.

Q: Is duplex roestvrij staal beter erosie-corrosiebestendig dan 316L?

A: Ja. Duplex 2205 heeft een PREN van ruwweg 35 versus grofweg 24-26 voor 316L, en de twee--fase microstructuur voegt vloeisterkte toe die austenitische kwaliteiten missen, waardoor de erosie-corrosiesnelheidsdrempel ruim boven de 316L stijgt, zowel in schone als met vaste stoffen beladen dienst.

Q: Is de API RP 14E-vergelijking rechtstreeks van toepassing op roestvrijstalen leidingen?

A: Niet rechtstreeks - API RP 14E's standaard C--factor van 100 is ontwikkeld voor koolstofstaal. Roestvrije en duplex leidingen gebruiken hogere C--factoren (ongeveer 300 voor 13Cr roestvrij staal en 350 voor duplex in nominaal vaste stoffen-gratis service) ontleend aan de industriële praktijk, aangezien de aanbevolen praktijk zelf geen roestvrij-specifieke waarden publiceert.

Q: Hoeveel verlaagt het zandgehalte de snelheidslimiet voor roestvrij staal?

A: Substantieel. Uit gepubliceerde tests op 2205 duplex in met zand-beladen zeewater is een kritische snelheid van bijna 4 m/s gebleken, ruwweg de helft van de snelheid die wordt getolereerd in schone, vaste stof-vrije omstandigheden, en erosie-corrosieschade versnelt verder naarmate het zandgehalte boven die drempel stijgt.

Q: Wanneer moet een project een nikkellegering gebruiken in plaats van superduplex roestvrij staal?

A: Wanneer de stroomsnelheid, de temperatuur en het chloridegehalte samen hoger zijn dan wat superduplex- of 6Mo-kwaliteiten betrouwbaar kunnen verdragen, of waar zure-service-, galvanische-compatibiliteits- of extreme- temperatuurvereisten van toepassing zijn. Nikkellegeringen zoals Alloy 625 worden doorgaans selectief gebruikt bij componenten met hoge- snelheid in plaats van voor volledige pijpleidingen, gezien hun hogere kosten.