2024年4月25日 星期四

Polythionic Acid Stress Corrosion Cracking

 

取自NACE 0170

敏化的沃斯田鐵不鏽鋼或敏化的沃斯田鐵合金表面有硫化的腐蝕產物(硫化鐵)或可氧化的硫化物(硫磺、H2S)和水、氧氣發生反應產生聚硫酸,再加上應力環境,就會產生聚硫酸應力腐蝕裂紋(PTA SCC)

影響材料:

敏化的沃斯田鐵不鏽鋼(300系列不鏽鋼)或敏化的沃斯田鐵合金(Alloy 625800825)

 

沿晶裂紋(取自NACE 0170)


敏化是一種冶金狀態,當溫度到敏化溫度範圍,材料裡的碳和鉻在晶界上析出碳化鉻,導致某些腐蝕易發生在這些晶界上或晶間脆化。

低碳的沃斯田鐵(牌號有“L”,代表含碳量<0.03 wt%)和化學穩定級的321(Ti)Alloy 825(Ti)347(Nb)Alloy 625(Nb)是非常抗敏化材料,但是,也會發生敏化,固融化處理、穩定性熱處理做得好,發生機率很低。

在高溫暴露後,含碳量低可以減少可能形成碳化鉻的數量,而TiNb相較鉻來說,他們比鉻更具有和碳的親和力,減少碳化鉻發生的機率。

通常來說,沃斯田鐵的母材或焊道也會限制肥粒鐵的含量,因為肥粒鐵暴露在高於482 (NACE 0170) 的溫度下,(API 571sigma 脆化是540),或進行PWHT時,可能會發生Sigma 脆化。


重點摘要:

聚硫酸應力腐蝕裂紋(PTA SCC)是由氧氣和水與硫化物反應形成聚硫酸(PTA)與應力引起的腐蝕裂紋。

聚硫酸(PTA)的生成環境:

1.     PTA可藉由H2SSO2在室溫下的水溶液中反應合成。

2.     環境中不是所有硫化物都會產生PTA SCC,像是硫酸不會造成PTA SCC,但是,會加速晶界腐蝕,加速PTA SCC

3.     260以上的環境下,300系列不鏽鋼會生成FeS(高溫環境不會生成PTA),在室溫環境,FeS接觸到空氣和水就會形成PTA

PTA SCC所需要的敏化和應力臨界值尚不明確。除非設備在低於敏化溫度,且沃斯田鐵材料在製造時候,沒有產生敏化現象,否則可能暴露在聚硫酸的沃斯田鐵不鏽鋼和其他沃斯田鐵合金都有可能引起PTA SCC

PTA SCC通常發生在設備焊道旁(敏化區域)或高應力區域,裂紋產生可能僅需要數分鐘或數小時就會裂穿管線或設備,損傷型態為沿晶裂紋。

PTA SCC促成腐蝕的三要素(腐蝕環境、應力、影響材料)只要降低其中一個影響因子,就能大幅減少PTA SCC發生機率。

 

從腐蝕環境預防PTA SCC:

腐蝕環境是氧氣、水氣、硫化物、敏化溫度。

在設備開放前,300系列不鏽鋼或抗敏化和金(沃斯田鐵)的設備會經過鹼洗和氮氣吹驅的目的在於減少PTA SCC發生機率。

氮氣吹驅必須要乾燥、不含氧。

鹼洗通常是用碳酸鈉(Na2CO3)清洗設備內部表面,目的是中和硫化物,要注意的是不能使用氫氧化鈉或苛性鹼(OH),以及碳酸鈉濃度有被規定,因為要避免鹼性應力腐蝕裂紋,附帶一提,在清洗的過程中,也要注意的是氯離子,使用的水應使用不含氯離子( < 50ppm)的純水。

 

從釋放應力預防PTA SCC:

當沃斯田鐵長期處於高溫狀態會發生敏化現象,[300系列(沃斯田鐵材質)敏化溫度範圍370~815321347 (抗敏化材質)大約400~815],敏化現象是CrC在晶界上析出成碳化鉻,而PTA SCC發生在敏化的沃斯田鐵上。

敏化的溫度又會因為含碳量、鈦Ti、鈮Nb、暴露時間、之前的熱歷史影響,在NACE 0170有列出沃斯田鐵的敏化溫度範圍。

一般來說,300系列不鏽鋼不做PWHT,是因為要避免敏化,敏化不會讓金屬失去強度,但是,當環境有腐蝕因子,敏化材料更容易發生Cl SCC PTA SCC,而304H321347材質要特別注意SRC(stress relaxation cracking)

321347新品出場時,就已經做好固融化處理、穩定性熱處理,通常不會發生敏化。

有兩種在製造過程中會發生敏化的施工步驟,第一種,當舊品切焊下來,接新品時,切口會重新熔融,原本化學穩定物質和碳的結合物會被重新打散,失去化學穩定物質和碳的鍵結,切口或熱影響區(HAZ)的溫度會來到敏化溫度範圍,此時,碳會和Cr結合,第二種,新品銲接的施工步驟異常。

然而,在特定條件下,焊道必須要做固融化處理、穩定性熱處理。

當抗敏化材料長期處在敏化溫度範圍和有硫化氫的環境中,設備必須要做固融化處理、穩定性熱處理。

如果含鈦、鈮的合金要進行PWHT,則優先固熔化退火,再進行穩定熱處理。固融化退火目的是要重新溶解碳化鉻,也要去除sigma相,固融化退火溫度範圍在1065,穩定熱處理目的在於要將化學穩定物質和碳結合,溫度範圍在900附近,此時要注意的是穩定性熱處理過程,避免降到敏化溫度範圍(370~800),最後,快速驟冷通過敏化溫度範圍,以上是釋放應力和避免敏化的關鍵邏輯步驟。


文獻:

1.        API 571

2.        NACE 0170