ترک خوردگی ناشی از هیدروژن در لوله API 5L: الزامات، آزمایش و کنترل

ترک ناشی از هیدروژن (HIC) چیست؟

ترک‌خوردگی ناشی از هیدروژن نوعی آسیب هیدروژنی است که در کربن و فولاد کم آلیاژ زمانی رخ می‌دهد که هیدروژن اتمی از یک محیط خورنده وارد ماده می‌شود، معمولاً سرویس مرطوب حاوی سولفید هیدروژن (H2S). در خط لوله نفت و گاز، H2S با آهن در سطح فولاد واکنش داده و هیدروژن اتمی آزاد می کند. اتم‌های هیدروژن در فولاد منتشر می‌شوند و در ناپیوستگی‌های داخلی مانند ادغام‌های دراز سولفید منگنز، جداسازی خط مرکزی یا اکسیدهای خوشه‌ای به هیدروژن مولکولی دوباره ترکیب می‌شوند. از آنجایی که هیدروژن مولکولی نمی‌تواند به بیرون منتشر شود، فشار داخلی ایجاد می‌کند که می‌تواند سطح را تاول بزند و ترک‌های مرحله‌ای را در ضخامت دیواره آغاز کند.

HIC از ترک خوردگی تنش سولفیدی (SSC) متمایز است: SSC نیاز به تنش کششی دارد و در ریزساختارهای با سختی یا مقاومت بالا رخ می‌دهد، در حالی که HIC می‌تواند بدون تنش خارجی توسعه یابد و در درجه اول به تمیزی فولاد، مورفولوژی گنجاندن و ریزساختار بستگی دارد. هر دو حالت خرابی زمانی برطرف می شوند که لوله برای سرویس ترش سفارش داده شود.

الزامات HIC در مشخصات API 5L

تحت API 5L، آزمایش HIC یک نیاز کلی برای هر لوله نیست. این برای درجه های PSL 2 که با نام سرویس ترش سفارش داده شده اند اعمال می شود که با حرف نشان داده شده است.Sدر نام درجه، به عنوان مثال X52MS، X60MS، X65MS، X65QS و X70QS. در این نام‌گذاری‌ها، M محصول نورد حرارتی مکانیکی را مشخص می‌کند و Q محصول خاموش شده و تمپر شده را مشخص می‌کند. پسوند S به این معنی است که لوله برای مقاومت در برابر ترک های ناشی از هیدروژن در محیط های H2S مشخص شده است. الزامات آزمایش HIC برای این گریدها در پیوست B API 5L، با روش آزمایش مطابق با NACE TM0284، روش استاندارد برای ارزیابی فولادهای خط لوله برای مقاومت در برابر ترک ناشی از هیدروژن، تنظیم شده است.

محدودیت‌های CLR، CTR و CSR در جدول، مقادیر پذیرشی هستند که معمولاً در مشخصات خرید API 5L ضمیمه B اعمال می‌شوند. معیارهای پذیرش نهایی همیشه در سفارش خرید و مشخصات پروژه تعریف می شود که ممکن است مقادیر سخت گیرانه تری را برای خدمات شدید تعیین کند.

آنچه CLR، CTR و CSR اندازه گیری می کند

پس از انجام آزمایش، نمونه برش داده شده و از نظر متالوگرافی بررسی می شود. سه نسبت از ترک های مشاهده شده بر روی سطوح مقطع محاسبه می شود:

CLR نشان می دهد که چه مقدار از عرض بخش آسیب دیده است، CTR نشان می دهد که ترک ها چقدر نزدیک به دیوار نفوذ می کنند، و CSR هر دو را در یک شاخص حساسیت واحد ترکیب می کند. لوله ای که هر سه حد را برآورده کند برای شرایط آزمایش شده در برابر HIC مقاوم در نظر گرفته می شود.

شرایط آزمایش بر اساس NACE TM0284

آزمایش NACE TM0284 نمونه های ماشینکاری شده را در معرض محلول نمک اسیدی اشباع شده با سولفید هیدروژن قرار می دهد. محیط آزمایش استاندارد محلول A است که شامل 5% کلرید سدیم و 0.5% اسید استیک در آب مقطر است که با H2S در دمای 3±25 درجه به مدت 96 ساعت اشباع شده است. محلول B، که حاوی اسید استیک نیست و با pH بالاتر شروع می شود، زمانی که توسط خریدار مشخص می شود برای نشان دادن شرایط مزرعه با شدت کمتر استفاده می شود. نمونه‌ها معمولاً از فلز پایه و برای لوله‌های جوش داده شده از ناحیه جوش و گرما گرفته می‌شوند، زیرا درز اغلب سخت‌ترین محل برای صلاحیت خدمات ترش است. پس از قرار گرفتن در معرض، نمونه ها برش داده شده و از نظر تاول زدن و ترک خوردگی همانطور که در بالا توضیح داده شد ارزیابی می شوند.

عوامل متالورژیکی که مقاومت HIC را کنترل می کنند

مقاومت HIC در مرحله فولادسازی و نورد تعیین می شود، نه تنها با بازرسی. عوامل زیر بیشترین تأثیر را دارند:

هنگامی که این کنترل ها با هم اعمال می شوند، فولاد در برابر انباشت هیدروژن و انتشار ترک مقاومت می کند، به همین دلیل است که لوله خط سرویس ترش به جای آزمایش ساده از انبار، برای روش های ذوب و نورد اختصاصی تولید می شود.

چگونه عملکرد HIC در عمل تأیید می شود

صلاحیت معمولاً یک مسیر دو مرحله ای را دنبال می کند. ابتدا، کارخانه آزمایش نوع یا صلاحیت را انجام می دهد تا نشان دهد که مسیر تولید می تواند مقادیر مورد نیاز CLR، CTR و CSR را برآورده کند. سپس، آزمایش لات به لات یا گرما به گرما بر روی لوله تولید طبق توافق در سفارش خرید انجام می شود که اغلب توسط آژانس بازرسی شخص ثالث مشاهده می شود. همچنین ممکن است معاینه اولتراسونیک تکمیلی بدنه کامل لوله برای شناسایی لایه‌بندی‌ها یا ناپیوستگی‌های داخلی که می‌تواند بر عملکرد سرویس‌های ترش تأثیر بگذارد، مشخص شود.

چرا الزامات HIC در مهندسی خطوط لوله اهمیت دارد؟

خطوط لوله حامل گاز مرطوب یا نفت خام با H2S در شرایطی کار می کنند که می توانند فولاد کربن معمولی را در مدت کوتاهی تجزیه کنند. اگر HIC ایجاد شود، تاول‌ها و ترک‌های داخلی دیوار را ضعیف می‌کنند و می‌توانند بدون هشدار قبلی منجر به نشت یا پارگی شوند. مشخص کردن لوله سرویس ترش API 5L PSL 2 با عملکرد تایید شده HIC از یکپارچگی ساختاری خط محافظت می کند، فواصل بازرسی و عمر سرویس را افزایش می دهد و خطر خرابی پرهزینه و حوادث زیست محیطی را کاهش می دهد.

سوالات متداول

آیا آزمایش HIC برای تمام لوله های API 5L اجباری است؟

خیر. آزمایش HIC فقط زمانی مورد نیاز است که لوله به درجه سرویس ترش PSL 2 با نام S سفارش داده شود، یا زمانی که مشخصات خرید آن را می طلبد. لوله استاندارد API 5L PSL 1 یا PSL 2 بدون علامت S مشمول آزمایش HIC ضمیمه B نمی باشد.

تفاوت HIC و SSC چیست؟

HIC توسط فشار هیدروژن داخلی در آخال ها هدایت می شود و نیازی به تنش خارجی ندارد. SSC، ترک خوردگی تنش سولفیدی، نیاز به تنش کششی دارد و معمولاً در ریزساختارهای سخت‌تر رخ می‌دهد. آن را با یک روش تست متفاوت، NACE TM0177 ارزیابی می‌شود.

کدام گریدهای API 5L دارای نام سرویس ترش S هستند؟

گریدهای PSL 2 مانند X52MS، X56MS، X60MS، X60QS، X65MS، X65QS، X70MS و X70QS را می‌توان با پسوند S در صورت نیاز به مقاومت در برابر خدمات ترش سفارش داد.

آزمایش NACE TM0284 HIC چقدر طول می کشد؟

نوردهی استاندارد 96 ساعت در محلول آزمایش در دمای 3 ± 25 درجه است، پس از آن نمونه ها برش داده می شوند، صیقل داده می شوند و به صورت متالوگرافی بررسی می شوند. از جمله آماده سازی و ارزیابی نمونه، یک چرخه آزمایش کامل معمولاً حدود یک هفته طول می کشد.

آیا لوله جوش داده شده API 5L می تواند آزمایش HIC را پشت سر بگذارد؟

بله. برای لوله های جوش داده شده، نمونه ها از فلز پایه و از درز جوش و منطقه متاثر از حرارت گرفته می شود. درز اغلب محل کنترل است، بنابراین مواد مصرفی جوش، حرارت ورودی و شرایط پس از جوش به عنوان بخشی از صلاحیت خدمات ترش مدیریت می شوند.

یک خریدار چه مقادیر CLR، CTR و CSR را باید مشخص کند؟

مقادیر متداول API 5L Annex B عبارتند از CLR max 15%، CTR max 5% و CSR max 2%. برای خدمات بسیار شدید، خریداران ممکن است محدودیت های سخت تری را تعیین کنند، بنابراین مقادیر باید همیشه به صراحت در سفارش خرید ذکر شوند.