Ursachen und Abhilfemaßnahmen für Ausfälle duktiler Spulenkomponenten

Wenn ein chemischer Verarbeiter oder eine Ölraffinerie den langen, mühsamen Prozess der Spezifikation und Überwachung des Baus einer Verarbeitungsanlage oder einer Raffinerie durchläuft, ähnelt der Prozess dem Zusammensetzen eines Millionen-Teile-Puzzles. Jedes Rohrstück, jedes Ventil, jeder Flansch und jede Spule muss eine bestimmte Aufgabe erfüllen – oft unter schwierigen Temperaturen und Drücken –, damit jedes andere Teil seine Aufgabe erfüllen und die Anlage wie vorgesehen funktionieren kann.

Gelegentlich geht etwas schief. Unabhängig davon, ob es sich um einen geringfügigen, schwerwiegenden oder katastrophalen Fehler handelt, wird eine Untersuchung durchgeführt, um die Ursache zu ermitteln. Wurde das richtige Element installiert? Wurde es korrekt installiert? Wenn ja, besteht die nächste Aufgabe darin, den Artikel zu bewerten. Warum ist es gescheitert?

Es geht nicht nur darum, ein Teil auszutauschen. Ein katastrophaler Ausfall kann zu Verletzungen oder sogar zum Tod führen. Selbst wenn es zu keiner Verletzung gekommen ist, ist die nächste Überlegung die Ausfallzeit. Unabhängig von der Größe oder Produktionskapazität der Anlage produziert eine Anlage, die wegen einer Störung abgeschaltet wird, erst dann einen Cent, wenn sie wieder betriebsbereit ist.

Einige Anwender von Kohlenstoffstählen in der nordamerikanischen Öl- und Gasindustrie mussten sich mit solchen Ausfällen auseinandersetzen. Einige Spulenkomponenten, die für den Einsatz bei Temperaturen von bis zu -29 °C (-20 °F) zugelassen sind, sind aufgrund von Sprödbruch ausgefallen. Häufig traten die Ausfälle bei hydrostatischen Tests, Kaltstarts und manchmal bei ungünstigen Betriebsbedingungen auf. Egal wann, die Frage danach ist immer dieselbe: Warum?

Die Frage ist Duktilität versus Sprödigkeit. Duktilität liegt entlang eines einzelnen Kontinuums und bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, sich unter Zugspannung zu verformen (seine Fähigkeit, sich zu dehnen, ohne zu brechen), während Sprödigkeit die Unfähigkeit dazu ist. Mit zunehmender Duktilität eines Materials sinkt seine Wahrscheinlichkeit, einem Sprödbruch zu widerstehen.

Komponenten aus Kohlenstoffstahl – jedes Eisenmaterial mit 0,29 bis 0,54 Prozent Kohlenstoff und 0,60 bis 1,65 Prozent Mangan – werden von ASME VIII Div. I- und ASME B31.3-Codes gelten als von Natur aus duktil und daher beständig gegen Sprödbruch. Dazu gehören A105N-Flansche; Nahtlose Formstücke der Güten A234 WPA, WPB und WPC; A106N-Rohr (alle Qualitäten); und A53 nahtloses Rohr. Allerdings haben sich einige Komponenten, die für den Einsatz bei bis zu -29 °C (-20 °F) ausgelegt sind, für solche Anwendungen als ungeeignet erwiesen. Einige Flansche aus A105-Kohlenstoffstahl, die bei weniger als 300 Pfund pro Quadratzoll (PSI) betrieben werden, und einige Rohre aus A106-Klasse B mit einer Dicke von weniger als ½ Zoll wurden mit einem Kerbschlagzähigkeitstest nach Charpy bewertet für ungeeignet für den Einsatz bei einer Mindesttemperatur des Konstruktionsmetalls von weniger als 68 Grad F befunden.

Vom Belgischen Schweißinstitut durchgeführte Schadensuntersuchungen ergaben, dass einige Flansche eine große Korngröße aufwiesen. Weitere Untersuchungen ergaben erhebliche mikrostrukturelle Unterschiede innerhalb eines bestimmten Flansches, was nicht nur auf eine mangelnde Fertigungskonsistenz, sondern auch auf eine mangelhafte Wärmebehandlung hinweist. Darüber hinaus ergab eine an einem A350LF2-Vorschweißflansch durchgeführte Fehleranalyse, dass eine schlechte Normalisierungspraxis eine Hauptursache für den Fehler war. Schlimmer noch: Die im beigefügten Zertifikat EN 10204: 3.1.B aufgeführten Prüfberichtsdaten stimmten nicht mit den geprüften Eigenschaften des Flansches überein.

Obwohl diese Komponenten hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften im spezifizierten Bereich lagen und daher als duktil galten, waren sie tatsächlich anfällig für Sprödbruch. Sprödbrüche in neu beschafften Rohrspulenkomponenten führen bekanntermaßen zu plötzlichen, katastrophalen Ausfällen und stellen eine potenzielle Gefahr für die Integrität, Zuverlässigkeit und Prozesssicherheit der Ausrüstung dar.

Die Alberta Safety Authority, die Behörde, die die Sicherheit von Druckgeräten in Alberta, Kanada, überwacht, gab in ihrem Informationsbulletin IB16-018 einen Hinweis heraus: „Dies könnte Anlass zur Sorge geben, da Flansche aus SA-105-Material üblicherweise von der Schlagprüfung gemäß ASME ausgenommen sind.“ Abschnitt VIII, Division 1, Paragraphen UG-20(f), UCS-66 oder ASME B31.3 Paragraph 323 für Temperaturen von -29 °C (-20 °F) und höher.“

In einem Blogbeitrag mit dem Titel „Materialdegradation und Korrosion“ erklärte Charles Becht von Becht Engineering: „Alle ASME B31.3 Figure 323.2.2A Curve B-Materialien gelten als potenziell gefährdet, obwohl das Problem bei hergestellten Rohren nicht festgestellt wurde.“ aus Plattenmaterial.“

Abbildung 1 Die Anwesenheit oder Abwesenheit von Bor hat einen erheblichen Einfluss auf die austenitische Korngröße nach der Wärmebehandlung von drei Legierungen. Probe A war mit geschütztem Bor legiert, Probe B war mit ungeschütztem Bor legiert und Probe C enthielt kein Bor. Diese Bilder erschienen ursprünglich in European Commission: Technical Steel Research, „Physical Metallurgy and the New Generic Steel Grades: Optimization of the Influence of“. Bor auf die Eigenschaften von Stahl“ (Luxemburg: Amt für amtliche Veröffentlichungen der Europäischen Gemeinschaften, 2007), S. 20.

Untersuchungen ergaben, dass spröde transgranulare Spaltrisse durch zwei Versagensmechanismen verursacht wurden – Chemie und schlechte Wärmebehandlungspraktiken (Normalisierung). Beide Praktiken, die wahrscheinlich auf Kostensenkungsbemühungen einiger Stahlhersteller zurückzuführen sind, haben zu einer Änderung der Stahlchemie und großen, grobkörnigen, ferritisch-perlitischen Mikrostrukturen geführt.

Das Schlüsselelement ist Mangan. Mangan fördert feinere Korngrößen, entweder im Walzzustand oder normalisiert. Mit abnehmender Korngröße (sei es Ferrit, Bainit oder Perlit) steigt die Streckgrenze und die Schlageigenschaften verbessern sich. Ein zusätzlicher Vorteil ist der erhöhte Perlitgehalt.

Um die hohen Kosten für kohlenstoffarmes Ferromangan, das im Stahlherstellungsprozess erforderlich ist, auszugleichen, haben einige Stahlhersteller den Mangangehalt absichtlich reduziert, um den absoluten Mindestprozentsatz gemäß ASTM zu erreichen.

Das ist nicht grundsätzlich falsch, kann aber das Gleichgewicht zwischen Mangan und Kohlenstoff stören. Wenn Mangan auf ein Minimum reduziert würde, würde das Mangan-zu-Kohlenstoff-Verhältnis 0,6 zu 0,29 oder 2,1 zu 1 betragen; lägen sie im Maximum, läge das Verhältnis bei 1,65 zu 0,54 bzw. 3,1 zu 1. Liegen beide Elemente in der Mitte der zulässigen Bereiche, läge das Verhältnis bei 2,7 zu ​​1. Durch Reduzierung des Mangangehalts auf den Mindestprozentsatz Wenn dies zulässig ist, ist es möglich (wenn auch unwahrscheinlich), ein Verhältnis von 1,65 Prozent Mangangehalt zu 0,29 Prozent Kohlenstoffgehalt oder 1,1 zu 1 zu ermitteln. Probleme können auftreten, wenn dieses Verhältnis kleiner als 5 zu 1 ist.

Wenn das Verhältnis unter diesem Schwellenwert liegt, weist das Material bekanntermaßen schlechte Schlagzähigkeitseigenschaften bei niedrigen Temperaturen auf. Einige der ausgefallenen Stähle wiesen Verhältnisse von nur 1,8 zu 1 auf, was zu einer schlechten Zähigkeit führte, was wiederum zu Ausfällen bei hydrostatischen Tests oder zu Störungen der Betriebsbedingungen führte.

Bei der Herstellung kohlenstoffarmer Stähle wird die Mikrolegierung – das Verfahren der Zugabe von Elementen in winzigen Mengen – in großem Umfang eingesetzt, um die Festigkeit des Stahls zu erhöhen, während Techniken zur Korngrößenverfeinerung zur Erhöhung der Schlagzähigkeit eingesetzt werden. Zu den Elementen, die Kohlenstoffstählen zum Zwecke der Mikrolegierung zugesetzt werden, gehören Titan, Vanadium, Niob und Bor. Ein Beispiel ist Ferrobor, ein im Vergleich zu teuren proprietären Legierungsmischungen kostengünstiges Legierungsmittel; Es ist darauf ausgelegt, die erforderliche Festigkeit und gleichbleibende Ergebnisse bei den verarbeiteten Stählen sicherzustellen.

Es wurde festgestellt, dass Bor in löslicher Form den Stahl nur dann gleichmäßig und konsistent verstärkt, wenn es mit starken Nitrid- und Karbidbildnern wie Titan und Niob in Einklang gebracht wird. Dadurch soll die Bildung von Bornitrid- oder Fe23(C, B)6-Ausfällungen verhindert werden.

Obwohl empfohlen wird, dass der Standard-Borgehalt 0,0015 bis 0,0030 Prozent beträgt, ist bekannt, dass sich Bor entmischt und lokale Bereiche mit hohen Konzentrationen bildet, was zu erheblichen Schwankungen in der Korngröße und damit zu einer geringen Schlagzähigkeit führt. Wenn der Borgehalt 0,007 Prozent übersteigt, bildet sich ein BC-Fe-Eutektikum mit niedrigem Schmelzpunkt (Fe2B/Fe3C/Fe), was zu Stählen mit schlechter Raumtemperaturzähigkeit führt.

Bor fördert die Bainitbildung. Es ist bekannt, dass die absichtliche Zugabe von ungeschütztem Bor zu kommerziell gewalzten Kohlenstoffstahlstäben die Bildung einer gröberen Ferritkorngröße fördert (siehe Abbildung 1).

Es ist bekannt, dass Erhöhungen der Austenitisierungstemperatur bei borbehandelten Kohlenstoffstählen zu einer Kornvergröberung führen. Das Ausmaß der Kornvergröberung hängt von zwei Faktoren ab: dem Gesamtborgehalt des Stahls und der Menge an Bor, die im Stahl vorhanden ist, nachdem freier Stickstoff als Ausfällung von Bornitrid gebunden wurde. Daher steuert der Stickstoffgehalt des Stahls das Ausmaß der Nitridbildung und damit den Grad der Kornverankerung, unabhängig vom gebildeten Mikrolegierungsnitrid (Titan, Niob oder Aluminium).

Titan, Vanadium und Niob sind Kornverfeinerer und aggressive Sauerstofffänger, während Vanadium, Niob und Aluminium auch als Nitridbildner wirken. Nitride oder Karbidausscheidungen in der Matrix können zu einer feinen Ferrit-Perlit-Mikrostruktur führen oder sich in Bainit umwandeln.

Der Nachteil ist der Mangel an Forschung zu Kohlenstoffstählen. Mikrolegierungen mit Titan, Vanadium, Niob und Bor werden häufig bei der Verarbeitung von kohlenstoffarmen und legierten Stählen mit zuverlässigen Ergebnissen durchgeführt. Diese Praxis scheint ohne entsprechende Untersuchung auf Kohlenstoffstähle angewendet worden zu sein, um deren mechanische Eigenschaften zu verbessern, wie es in den ASTM- und ASME-Standards gefordert wird. Die Mikrolegierung wurde ohne saubere Verfahren zur Stahlherstellung (z. B. Argon-Sauerstoff-Entkohlung oder Vakuum-Sauerstoff-Entkohlung) und ohne angemessene Tests des Endprodukts durchgeführt.

Zusammenfassend erfordert die Mikrolegierung von Kohlenstoffstählen daher ein sehr enges Materialgleichgewicht zwischen Nitridbildnern und Bor sowie eine auf die Mikrolegierungsformulierung zugeschnittene Verarbeitungsroute (Wärmebehandlung).

Bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (Kohlenstoffgehalt unter 0,06 Prozent) erfolgt die thermomechanische Verarbeitung durch kontrolliertes Walzen und anschließendes beschleunigtes Abkühlen, um hochfeste, zähe mikrolegierte Stähle zu erzeugen. Beim thermomechanisch kontrollierten Walzen hängen die mechanischen Eigenschaften von den angewandten Verformungs- und Wickeltemperaturen ab. Es ist bekannt, dass Bor das thermomechanische Verarbeitungsfenster erheblich vergrößert.

Laut Walter J. Sperko, wie im „National Certified Pipe Welding Bureau Technical Bulletin May 2016“ erwähnt, verursacht Bor bekanntermaßen eine gerichtete Rekristallisation auf der 100-Kristall-Ebene bei 30 bis 45 Grad zur Rohrachse, was zu sehr niedrigen Werten führt Zähigkeit bei 45 Grad zur Rohr- oder Fittingachse. Dies ist die Richtung, in der die maximale Scherbelastung für unter Druck stehende Rohre auftritt, und aufgrund dieser Ausrichtung der Kristallorientierung lässt sich bei axialen oder umlaufenden Schlagproben nicht erkennen, dass das Material eine geringe Zähigkeit aufweist.

Legierte Stähle werden normalerweise einer vollständig austenitisierenden Abschreck- und Anlasswärmebehandlung unterzogen, um mechanische Festigkeiten zu entwickeln. Im Fall der ausgefallenen Flansche scheint es daher so zu sein, dass in dem Versuch, die Herstellungskosten zu senken, die beim Schmieden entstehende Prozesswärme den erforderlichen zusätzlichen Erwärmungs-Abschreck-Anlass-Zyklus ersetzt hat.

Darüber hinaus schreibt ANSI B16.5 keine Wärmebehandlung für ASTM A105-Flansche unter Klasse 300 vor.

Während festgestellt wurde, dass das Vorhandensein von mehr als 0,05 Prozent Titan in borhaltigen Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu einer Verschlechterung der Zähigkeit führt, ist bekannt, dass Schwankungen im Titan- und Borgehalt des Schweißmetalls zu großen Schwankungen in der Mikrostruktur des Schweißmetalls führen.

Die Norm SP0472 der National Association of Corrosion Engineers, Methods and Controls to Prevent In-Service Environmental Cracking of Carbon Steel Weldments in Corrosive Petroleum Refining Environments, weist darauf hin, dass Schweißnähte aus P1-Materialien – Kohlenstoffstählen – unter absichtlicher Zugabe von Mikrolegierungselementen wie Titan hergestellt werden , Vanadium, Niob und Bor erfordern möglicherweise eine zusätzliche Vorwärmung und höhere Wärmebehandlungstemperaturen nach dem Schweißen, um die vorgeschriebene Härte in der Wärmeeinflusszone zu erreichen. Allerdings könnte die Wärmebehandlung die Zähigkeitswerte negativ beeinflussen.

Alle Rohrspulenkomponenten aus Kohlenstoffstahl, die für den Transport gefährlicher Materialien bei Temperaturen unter 32 Grad F verwendet werden, sollten bewertet werden. Diese Bewertung umfasst eine vorläufige Untersuchung der Betriebstauglichkeit, die eine positive Materialidentifizierung, einen Härtetest und eine Metallographie vor Ort umfasst, um festzustellen, ob das Gerät wieder in Betrieb genommen werden kann oder ob es ersetzt werden muss. Beachten Sie, dass die Röntgenfluoreszenz zur Bestimmung des Gehalts an Kohlenstoff und leichten Elementen wie Bor nicht ausreicht, sodass die PMI mit einem optischen Emissionsspektrometer durchgeführt werden muss.

Als vorbeugende Maßnahme zur Reduzierung des künftigen Risikos von Sprödbrüchen in Kohlenstoffstahl sollten Hersteller stoßgeprüfte Kohlenstoffstahlrohre und -armaturen nur von akkreditierten Quellen beziehen. Dem Material muss ein Mühlentestbericht beigefügt sein, der mindestens nach der Spezifikation EN10204, 3.1B zertifiziert ist und die Schmelze- und Chargennummer sowie den Materialstandard (ASTM/ASME) angibt, nach dem es hergestellt wurde.

Eine Lehre aus Untersuchungen des belgischen Schweißinstituts besteht darin, dass der Käufer, um der Möglichkeit einer gefälschten Testzertifizierung vorzubeugen, auf einer vollständigen Rückverfolgbarkeit der Herstellung auf die Schmelzzahl und die Schlagtestergebnisse des ursprünglichen Stahlwerks bestehen sollte.

Zusätzliche Anforderungen, die in den Beschaffungsprozess einbezogen werden müssen, können sein:

Naddir M. Patel, P. Eng., ist Material- und Metallurgieingenieur für Sinclair Oil Corp., 100 Lincoln Ave., Sinclair, WY 82334, [email protected].

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