Особенности конструирования, изготовления и поставки сосудов и аппаратов работающих в условиях сред, содержащих сероводород Н2S

                                                                                                                      Внимание,сероводород!

                Особенности конструирования,

изготовления  и поставки сосудов и аппаратов  работающих в условиях сред, содержащих сероводород  Н₂S.

 

Характерной особенностью месторождения ««Хаузак»» и других аналогичных ему является то, что в его газе содержатся так называемые «кислые» коррозионно-агрессивные примеси (сероводород (Н2S) до 3,45% (об), и диоксид углерода (СО2) – до 4,31% (об), которые растворяясь в воде, присутствующей в системе, создают в оборудовании и трубопроводах коррозионные среды, способствующие повреждению металла. Наличие Н₂S определяет преимущественный тип коррозии – сероводородную коррозию.

Специфическое воздействие сероводородной коррозии на металл заключается в разнообразии форм ее проявления: общего (равномерного и /или неравномерного) и локального (язвенного и/или питтингового) повреждения поверхности, а также двух типов внутреннего растрескивания – водородно-индуцированного (ВИР) и сульфидного коррозионного под  напряжением (СКРН).

В таких условиях необходимо все более тщательно и скрупулезно  выверять технологию и применять  эффективную защиту металла оборудования, трубопроводов, арматуры от воздействия сероводорода углекислого газа и др. Какими средствами защиты металла на сегодняшний день  мы располагаем?

Все возможные средства защиты, весь накопленный опыт сконцентрирован  в нормативных документах Узбекистана, России, США, в разработках рекомендаций, в проработках ведущих фирм, а также в собственном опыте эксплуатации в условиях присутствия сероводорода в природном газа, в сырье. Противостояние воздействию сероводорода начинается при конструировании оборудования и выражается в требованиях к конструированию сосудов и аппаратов. Противостоят коррозии, в первую очередь, конструкторы сосудов, аппаратов и трубопроводов.

Принято считать, что среды, содержащие сероводород при нормальном давлении менее 0,0003 МРа не вызывают коррозионный износ и коррозионное растрескивание. Такое оборудование проектирует, как обычное оборудование работающее под давлением, и применяют соответствующие материалы. При парциальном давлении сероводорода более 0,0003 МРа оборудование, материал, контактирующий со средой  и находящийся под напряжением ощущает воздействие, выраженное в сероводородом растрескивании  под напряжением (СРН) и водородном растрескивании (ВР) типа расслоения.

Стойкость стали к растрескиванию и расслоению является прогнозируемой и основываемой, кроме всего прочего, на твердости материала. Принято считать, что материал, сварочные швы, околошовная зона должны обладать твердостью не ниже 22НRС_э.

Важной характеристикой  стали, используемой в сварных изделиях является ее хорошая свариваемость, выражающаяся в величине углеродного эквивалента (У_э). Для прогнозирования свариваемости широкого ряда выпускаемых промышленностью углеродистых и низколегированных сталей разработана и принята, международным институтом сварки (IIW) формула:

                        

Значение углеродного  эквивалента У_э используется для прогнозирования твердости зоны термического влияния (ЗТВ) и металла шва. Высокая твердость является следствием наличия мартенситной структуры, что в конечном итоге вызывает повышенную склонность зон к холодному водородному растрескиванию. К примеру, для листовой стали благоприятной углеродный коэффициент имеет значение более 0,38 в зависимости от толщины и марки стали и ограничивается значением 0,43. При таких значениях углеродных коэффициентов предотвращением воздействия сероводорода на зоны сварки является послесварочная термообработка (ПСТО) и прогрев металла перед сваркой.

В связи с этим присутствие  в углеродистых и низколегированных  сталей элементов, ограничено процентным содержанием: углерода С-0,15%, марганца Мn-1,0%, хрома Сr-0,3%, меди Cu -0,3%, ванадия V - 0,07%.

Особое отношение следует  проявить к содержанию серы S и фосфора  Р, в связи с тем, что сера и  фосфор способны к образованию сульфидов  и фосфатов при кристаллизации стали во время остывания слитка . Сульфиды и фосфаты в свою очередь выстраивают или цепочки, или включения в стали, что способствует развитию коррозионных трещин в глубину металла.

Содержание  серы в металле должно быть ограничено значениями 0,010%, фосфора-0,025%.

Как правило, вышеуказанные рекомендации по химическому  составу достигаются модификацией существующих низкоуглеродистых и  низколегированных сталей. Модификацию  назначают для углеродистых сталей: стали 20, SА-106B, низколегированной 17Г1СУ - для производства листов; стали SА-350LF2 - для производства поковок].

В основном модифицируется содержание углерода на уменьшение до 0,15%, при одновременном повышении  содержания марганца до 1,35%. Кроме всего  прочего, металл очищается от примесей серы и фосфора. И последнее, лист получают регулируемой прокаткой с получением величины зерна до указанных значений.

Наряду со специальными сталями для работы  в сероводородсодержащих средах такими как сталь 20ЮЧ, сталь 09ГСНБЦ,  модифицированные стали могут применятся для изготовления труб, листового проката и поковок. Условие, здесь следующее: модифицированные стали должны отвечать вышеуказанным требованиям и быть согласованными со специализированными организациями, соответствовать международным стандартам NACE MR01-75 и пройти тест на стойкость и водородному растрескиванию  (ВР) в соответствии  со стандартами NACE TМO 2-84 и стойкость под воздействием напряжения в сульфидосодержающей среде в соответствии со стандартами NACE TM 01-77.

Требования  к прокатным листам, из которых в основном изготавливается оборудование, работающее под давлением, наряду с вышеуказанными требованиями к материалу сводятся к следующему:

     - листовая сталь должна быть изготовлена из полностью раскисленной стали, полученной в кислородном конвертере или электродуговой печи;

    - стальные листы должны быть изготовлены из заготовок полученных путем непрерывной разливки или слитков полученных путем сифонной разливки. Требование к размеру и поверхности листов - по ASМE SA -20;

    - листы должны быть подвергнуты нормализации; структура металла стали – мелкозернистая, средний размер зерна  в соответствии со стандартом ASTM E-112   

 составляет 7. Листовая сталь должна соответствовать стандарту SA-516;

   -  величина ударной вязкости при температуры минус 29⁰C должна составлять 30 J/сm². Испытания на ударную вязкость проводятся в соответствии с требованием АSTM A370;

   - минимальное относительно удлинение должно быть не менее -20%;

  - максимальная твердость должна быть 237HV₁₀. Испытание на твердость в соответствии с требованием стандарта ASTM A370 и NACE TM01-77-96;

   -  вся листовая сталь толщиной 20mm должна пройти обследование методом ультразвуковой дефектоскопии в соответствии с требованием ASME SA-578, группа III спецификация S12, и спецификации S11 (стопроцентное обследование). Несплошности не допускаются ;

  - металл всех листов должен быть испытан на стойкость и коррозионному растрескиванию, в соответствии со стандартами NACE (HIC тест, SSC тест);

     Фланцы должны удовлетворять требованиям ANSI B16.47, ANSI B16.5 и МSS-CP 44, однако основные размеры их должны быть уточнены расчетом в соответствии  

 с РД 26-02-62-98.

Поковки, фланцы должны быть нормализованные, максимальная величина твердости 

187 HB, испытания  на твердость производить по ASTM А370 и NACE TM-01-77-96.

Все штампованные поковки толщиной более 100mm должны быть обследованы ультразвуковой дефектоскопией. Все остальные требования к материалам должны соответствовать с SA-350LF2 и указанным выше.

Сварка продольных швов обечаек и при изготовлении заготовок днищ выполняется электрошлаковом способом. Конструктивные элементы, сварные соединения и режимы сварки соответствует РД 24-94-202.

Корневой  шов односторонних швов выполняется аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом в соответствии с ОСТ 26-260-3.

При сварки кольцевых  швов сосудов и аппаратов с  толщиной стенкой 45-100mm применяется, комбинированный  способ, при котором корневой шов  заваривается автоматической сваркой  под флюсом, а остальное сечение шва–электрошлаковой сваркой.

Конструктивные  элементы сварных соединений, режимы сварки соответствуют РД 24-942-02. При  толщине менее 45mm конструктивные элементы и режимы – по РД -26-17-77.

Ручная дуговая  сварка покрытым электродом применяется  только при выполнении криволинейных швов малой протяженности, а также для выполнения подварочных швов. Конструктивные элементы швов и режимы сварки соответствуют  РД 26-17-77.

Особо следует  выделить приварку штуцеров, люков, патрубков  к корпусу аппарата путем врезки, которая выполняется в следующей последовательности.

     а) предварительный подогрев при  толщине элементов более   

                                  36 mm;

     б) сварка с внутренней стороны  аппарата;

в) удаление корня  шва с наружной – стороны аппарата   обработкой    механическим способом;

                          г) сварка с наружной стороны  аппарата.

При отсутствии доступа к сварному соединению изнутри  аппарата сварка выполняется односторонним  швом, корневой шов, которого высотой 3-5 mm сваривается аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом. Основной металл в месте установке штуцера, патрубка должен быть проконтролирован УЗД. Зона контроля: диаметр штуцера плюс 100 mm.

Химический  состав металла электродов, сварочной  проволоки, присадочного материала  должны соответствовать основному металлу; защитный газ аргон должен быть первого и высшего качества.

После окончания  сварочных работ, проведения контроля качества сварных соединений сосуды подлежат обязательной объемной термообработке (высокотемпературному отпуску по режимам в соответствии с РТМ 26-44).

До проведения термической обработки сварные  швы должны подвергаться  контролю в объеме 100% радиографией или ультразвуковой дефектоскопией.

После проведения термической обработки контролю в объеме 100% радиографией или ультразвуковой дефектоскопией подвергаются продольные и концевые швы корпусов сосудов и аппаратов, а также швы приварки люков и штуцеров диаметром более 100 mm.

Все сварные  соединения подвергаются контролю твердости  переносными твердомерами после  термической обработки. Твердость металла шва и зоны термического влияния не должны превышать 200НВ. При этом выполняются контрольные сварные соединения в соответствии с требованием О’z Dst 1138.

Очень важное место отводится расчетам допускаемых  напряжений элементов сосудов и аппаратов из углеродистых и низколегированных сталей, работающих в коррозионноактивных средах. Это предпринимается для того, чтобы элементы сосудов и аппаратов в работе испытывали минимально допустимую нагрузку.

Расчеты необходимо производить в соответствии РД-26-02-62-98.

Например, при  испытании стали 17ГС стойкость к  коррозионно-механическому растрескиванию выяснилось, что пороговое напряжение лежит в районе 0,55 δ_т, за пределами которого сталь подверглась интенсивному коррозионному растрескиванию на фоне охрупчивания .

Расчеты показывают, что толщины элементов сосудов  и аппаратов, фланцев, патрубков  значительно больше, аналогичных  элементам сосудов и аппаратов, эксплуатируемых в обычных средах.

 

Аннотация. Настоящая  статья написана на тему, в которой накопилось ряд вопросов не освещаемых в нормативно- технических материалах, или освещаемых недостаточно. В связи с этим пришлось обобщить весь материал. Статья предназначена, в первую очередь, для конструкторов и эксплуатационников оборудования, работающего под давлением газа, содержащего сероводород, при выборе и назначении материала, .контактирующего с коррозионной средой ,назначения режимов сварки и термообработки, включая выбор сварочных материалов .

 

 

 

 

 

 

Тезисы к  докладу. Настоящий доклад написан на тему, в которой накопилось ряд вопросов не освещаемых в нормативно- технических материалах, или освещаемых недостаточно. В связи с этим пришлось обобщить весь материал, публикуемый в настоящее время. Доклад предназначен, в первую очередь, для конструкторов и эксплуатационников оборудования, работающего под давлением газа, содержащего сероводород, при выборе и назначении материала, контактирующего с коррозионной средой, назначения режимов сварки и термообработки, включая  выбор сварочных материалов .