最大許容硫化物応力腐食割れ閾値はどのようなものですか。 316 ステンレス鋼のヒーター シースは、NACE TM0177 溶液 A で 24 度および 80 度で展示されています。

オーステナイト系ステンレス鋼のSSC感受性の温度依存性

-サワーサービス環境（油田の給湯器、地熱システム、または製油所のプロセスヒーター）における電熱管の硫化物応力腐食割れ（SSC）のリスクの温度制御は非単調です。つまり、リスクは単に温度の関数ではありません。-温度の上昇とともに深刻になる塩化物による SCC とは異なり、316 などのオーステナイト系ステンレス鋼の SSC は周囲温度 (20 ～ 30 度) で最大の感受性を持ち、NACE TM0177 溶液 A (5 wt% NaCl + 0.5 wt% 酢酸、飽和水溶液) 中では高温 (80 度以上) で大幅に減少します。 1 気圧、pH ~ 2.7 ～ 3.0 の H2S) の SSC に対する閾値応力は、24 度での降伏強度の約 60 ～ 70% です。これは、120 ～ 140 MPa を超える応力 (降伏強度が約 205 MPa の焼きなましされた 316 の場合) が 720 時間で亀裂につながることを意味します。 80 度では、しきい値が上方にシフトして降伏強度 (200 MPa 近く) に達し、SSC 感受性が大幅に低下します。この論文では、316 個のシースの SSC 閾値が温度の関数として定量化されています。

温度の起源-SSC 感受性の依存性

硫化物応力腐食割れは、腐食反応 (Fe + H2S → FeS + 2H) で形成される原子状水素が鋼中に拡散し、微細構造を脆化させるときに発生します。 316 などのオーステナイト系ステンレス鋼の場合、面心立方晶 (FCC) 構造により水素拡散率が低くなるため、室温では水素の拡散が遅くなります (フェライト系鋼の 10-6 cm2/s に対して 25 度で約 10-12 ～ 10-11 cm2/s)。ただし、冷間加工は、高硬度および高転位密度と組み合わせると、316 の影響を受けやすくなる可能性があります。高温 (> 60 ～ 80 度) では、水素の拡散率が増加しますが、局所的な応力を緩和するために転位が移動する可能性があるため、水素に対する耐性も増加します。また、腐食速度は温度とともに増加し、より多くの水素の生成につながりますが、水素の再結合反応は、高温では H 2 S による影響が少なくなります。したがって、最終的な結果は、20 ～ 40 度の間で SSC の感受性が最大になり、60 度を超えると急速に低下します。

24 度および 80 度での定量化された SSC 限界

NACE TM0177 溶液 A を使用した、硬度が 200 HV 未満の焼きなまし 316 ステンレス鋼の定荷重 SSC 試験により、通常の 720 時間の試験期間にわたる亀裂に対する以下の閾値応力が確立されました。

Temperature (°C) Material Condition Yield Strength (0.2% offset, MPa) Threshold Stress for SSC (MPa, 720h)Threshold Stress as % of Yield SSC Susceptibility Rating 24 Annealed (150-180 HV) 205 120-140 60-70% Moderate 24 Cold-worked (20%, 250-300 HV) 400-500 80-120 (absolute) 20-30% High 24 Hard-drawn (>35% CW, >350HV) 550-700<50 (absolute) <10%Severe 80Annealed 190 (derated) 170-190 90-100% Low 80 Cold-worked (20%) 350-450 250-350 70-80% Moderate 80 Hard-drawn (>35% CW) 500-650 300-500 60-70% 中程度
硬度の重要な相互作用-SSC 耐性

NACE MR0175/ISO 15156 (H₂S- 含有環境における材料の仕様) に従って、サワーサービスにおけるオーステナイト系ステンレス鋼の最大硬度 22 HRC (約 250 HV) が許可されています。この硬度限界は、最大約 15 ～ 20% の冷間加工に相当します。以下の表は、硬度の制限と、室温での SSC に対するその影響を示しています。

最大硬度 (HRC) 最大硬度 (HV) 同等の冷間加工 SSC 閾値応力 (MPa、24 度、焼きなましベース)316 NACE MR0175 に従って許容可能<15 <180 0-5% (annealed) 140 Yes (with qualification)
15-20 180-230 5-12% 120 はい (制限付き)
20-22 230-250 12-18% 100 限界
22-25 250-280 18-25% 80 Unacceptable 25-30 280-330 25-35% 50 Unacceptable >30 >330 >35% <50 (extremely low) Unacceptable
サワーサービスヒーター用途の実際的な推奨事項

以下の推奨事項は、H2S サービス (0.05 psia を超える H2S の分圧または液体水中の 10 ppm を超える濃度) で使用する 316 シーズ ヒーターの動作温度に基づいています。

動作温度 (度) H2S 分圧 (psia) 最大硬度 (HRC/HV) 推奨される成形後熱処理 - 代替合金<30 <0.05 22/250 Stress relief 400-450°C 316 acceptable <30 0.05-0.5 20/230 Full solution anneal + stress relief 316L preferred <30 >0.5 18/210 Full solution anneal Duplex 2205 recommended 30-60 Any 22/250No need (reduced susceptibility) 316 acceptable 60-80 Any 25/280316 accept None necessary (low susceptibility) >80 任意 任意 (SSC リスクなし)316 完全に許容可能 不要
SSC故障の現場診断

316 ヒーター シースにおける SSC からの亀裂は通常、粒間ではなく粒内 (粒子を貫通) であり、多くの場合、塩化物 SCC のような分岐を伴いますが、実質的な塩化物が存在しません。破断面の塑性変形はほとんどなく、平らでファセット面になっている可能性があります。亀裂が発生する可能性が最も高い場所は、冷間加工領域 (曲げの外側半径など) と 60 度未満の温度です。- H 2 S を含む酸性水システムによってヒーターが故障し、その故障が曲げ部または冷間加工領域で発生し、使用温度が周囲温度 50 度である場合、硬度に関係なく、硬度が約 250 HV を超えている場合は SSC を疑う必要があります。

結論: 温度と硬度の制御による SSC リスク制御

316 stainless steel encased heaters in sour service (H2S-containing environments) have peak vulnerability to SSC at ambient to 40°C, and drops dramatically above 60°C. The threshold stress for SSC in NACE TM0177 Solution A at 24°C is about 60-70% of yield strength (120-140 MPa for annealed 316). At 80C the threshold climbs to near yield strength (170-190 MPa) suggesting substantially lesser danger. For sour service with 316 sheaths, NACE MR0175 requires that the hardness does not exceed 22 HRC (250 HV) when operating below 60°C. Hardness is less important for higher temperature operations (>60 度) したがって、316 はより高いレベルの冷間加工でも安全に使用できます。ここで説明するこのフレームワークにより、購入者は温度、硬度、SSC 閾値応力を関連付けることにより、酸性条件下での硫化物応力腐食割れに耐性のある 316 のシースを選択できます。