Hastelloy C276 Resistência à corrosão sob tensão em gás ácido: Conformidade com NACE MR0175

Hastelloy C276 (UNS N10276)é altamente resistente à fissuração por corrosão sob tensão (SCC) em serviços de gás ácido e é explicitamente listada como uma liga resistente-à corrosão aceitável na NACE MR0175/ISO 15156 Parte 3 para ambientes de fissuração sob tensão por sulfeto (SSC) e fissuração induzida por-hidrogênio{5}}orientado por tensão (SOHIC).

Ao contrário dos aços inoxidáveis ​​austeníticos, como o 316L, que falham devido ao cloreto SCC acima de cerca de 60 graus C, o C276 é essencialmente imune ao cloreto SCC e ao SSC induzido por hidrogênio porque sua matriz de níquel não suporta o mecanismo de craqueamento. A conformidade exige que o material esteja na condição de solução -recozida com dureza abaixo de 35 HRC e trabalho a frio abaixo de 20 por cento; nenhum tratamento térmico pós{8}}soldagem é permitido na faixa de 600-1150 graus C.

Hastelloy C276 resiste à fissuração por corrosão sob tensão em gás ácido?

Sim. O C276 é essencialmente imune à fissuração por corrosão sob tensão (SCC) e à fissuração sob tensão por sulfeto (SSC) em gás ácido porque sua matriz totalmente austenítica com alto teor de-níquel (aproximadamente 57%) não sofre mecanismos de fissuração induzidos por cloreto-ou hidrogênio-que destroem o aço carbono e até mesmo o aço inoxidável da série 300 no mesmo serviço.

A corrosão sob tensão em ambientes ácidos tem dois modos de falha familiares que o C276 evita. A primeira é a corrosão sob tensão por cloreto (Cl-SCC), que afeta os aços inoxidáveis ​​austeníticos (304/316) quando as condições quentes, úmidas e cloradas excedem cerca de 60 graus C; essas ligas quebram ao longo dos limites dos grãos sob tensões de tração modestas. C276, apesar de também ser austenítico, não quebra dessa maneira porque seu teor de níquel (cerca de 57 por cento) perturba o mecanismo - ligas de níquel acima de aproximadamente 40-45 por cento de Ni são geralmente imunes a Cl-SCC.

A segunda é a fissuração sob tensão por sulfeto (SSC), o clássico destruidor de aço-carbono em serviço com H2S: o hidrogênio atômico da corrosão por H2S penetra no aço, se acumula em zonas duras e causa fratura frágil repentina sob tensão de tração. O C276 resiste a isso porque é extremamente homogêneo, não possui fases duras quando recozido-em solução e sua matriz de níquel não fragiliza da mesma forma que o aço cúbico-de corpo centrado. A experiência de campo em fábricas de gás ácido, FGD e produtos químicos confirma a vida útil do C276 de 20 a 30 anos sem falhas de SCC.

O que a NACE MR0175/ISO 15156 diz sobre o C276?

NACE MR0175 / ISO 15156 Parte 3 lista UNS N10276 (Hastelloy C276) como uma liga aceitável-resistente à corrosão (CRA) para serviço ácido na condição recozida em solução-, com uma dureza máxima de 35 HRC e um trabalho a frio máximo de 20% -, o que significa que C276 pode ser especificado para o H2S + mais agressivo Ambientes de cloreto2 + de CO sem restrições ambientais de fissuração que ligam carbono e aços de-baixa liga.

NACE MR0175/ISO 15156 é o padrão global que define materiais aceitáveis ​​e limites ambientais para produção de petróleo e gás em serviços ácidos (contendo-H2S). A Parte 3 cobre ligas-resistentes à corrosão (CRAs), incluindo ligas à base de-níquel. Dentro dele, o C276 é qualificado como um CRA sem limite de fissuração ambiental SSC/SOHIC vinculado à pressão parcial de H2S, porque a liga é intrinsecamente resistente.

A norma impõe dois controles de{0}condição do material: a dureza não deve exceder 35 HRC (para garantir que não haja fases duras) e o trabalho a frio não deve exceder 20% (o trabalho a frio pode aumentar a dureza e introduzir tensão residual). Esses limites são facilmente atendidos pela solução-recozida C276, cuja dureza é normalmente de 85 a 95 HRB (aproximadamente 15 a 20 HRC equivalente). A implicação prática: um engenheiro pode especificar C276 para uma cabeça de poço de gás ácido, linha de fluxo ou separador sem os elaborados cálculos de craqueamento ambiental exigidos para aço carbono, desde que os controles de fabricação (recozido, baixo trabalho a frio, sem PWHT proibido) sejam observados.

Tabela 1. Requisitos NACE MR0175/ISO 15156-3 para C276 (UNS N10276)

Fonte: NACE MR0175 / ISO 15156-3 (edição de 2020); Anexo cobrindo ligas à base de níquel.

Por que os aços inoxidáveis ​​austeníticos racham, mas o C276 não?

Aços inoxidáveis austeníticos, como 316L, quebram em serviço com cloreto ácido acima de cerca de 60 graus C porque sua matriz de ferro-cromo é suscetível à corrosão sob tensão por cloreto, enquanto a matriz dominante de níquel-do C276 (cerca de 57 por cento de Ni) é metalurgicamente imune tanto ao cloreto SCC quanto ao SSC induzido por hidrogênio -, de modo que o mecanismo de falha que destrói 316L simplesmente não pode se propagar em Capítulo 276.

Para entender a diferença, compare os dois mecanismos. O SCC de cloreto em aço inoxidável requer três condições: microestrutura suscetível (austenita sensibilizada ou{1}} trabalhada a frio), tensão de tração e cloretos acima de um limite de temperatura (comumente citado como cerca de 60 graus C para 316L, inferior com cloreto alto ou pH baixo). A fissura nuclea em um poço ou fenda e se propaga intergranularmente. C276 contém apenas cerca de 5-7% de ferro e 16% de cromo, mas 57% de níquel; ligas de níquel com Ni acima de aproximadamente 40-45 por cento não apresentam Cl-SCC da mesma maneira, e o C276, em particular, tem um longo histórico de serviço em ambientes clorados quentes e ácidos sem SCC.

Para SSC{0}induzido por hidrogênio, os aços carbono e de baixa{1}liga falham porque o hidrogênio absorvido se acumula na martensita dura ou nos limites dos grãos; O C276, sendo uma solução sólida de níquel cúbico-de face{4}}centrada em uma única fase, não possui esse tipo de armadilha de fase-rígida e absorve/transporta hidrogênio sem fragilizar. O efeito líquido: onde um projetista deve escolher entre 316L e C276 para um serviço ácido, clorado e quente, o C276 remove totalmente o modo de falha do SCC, em vez de simplesmente aumentar o limite.

Tabela 2. Comparação do comportamento do SCC: 316L vs C276 em Sour Service

Fonte: NACE MR0175; Referências de limites SCC (por exemplo, relatórios de desempenho de materiais); fichas técnicas de liga.

Como o C276 se compara a outros CRAs em gás ácido?

Entre as ligas-resistentes à corrosão para gases ácidos, o C276 é a escolha conservadora-de nível superior para reduzir severamente fluxos de-cloreto e{4}}H2S elevados; O Inconel 625 cobre necessidades de-cloreto oxidante e maior-resistência, a liga 825 cobre acidez moderada e 904L/316L são restritos a baixo-cloreto e menor serviço de-H2S -, portanto, o C276 é selecionado quando o ambiente é muito agressivo para as ligas de nível-inferior.

A escolha entre CRAs é uma decisão do-envelope de corrosão. Especificamente para gás ácido: 316L e 904L são limitados por SCC de cloreto e por corrosão de cloreto (seu PREN é de apenas 23-26 e 33-36, respectivamente), portanto, eles são usados ​​apenas onde cloreto e H2S são baixos. A liga 825 (PREN cerca de 30) lida com ácido ácido e sulfúrico moderado, mas não é ideal onde os cloretos são altos.

Inconel 625 (PREN cerca de 51) é excelente na oxidação de-cloreto e água do mar-como serviços ácidos e oferece maior resistência, mas na redução forte de ácido mais H2S, C276 (PREN cerca de 68 devido a 15-17 por cento de Mo) é superior. C22 (PREN cerca de 65) é muito próximo de C276 e frequentemente usado onde predominam ácidos mistos oxidantes; para dominância pura azeda/redutora, C276 é a referência. A tabela abaixo mapeia cada liga para seu envelope de serviço ácido, para que um projetista possa justificar a seleção do C276 em vez de uma alternativa mais barata somente quando a química realmente exigir isso.

Tabela 3. Seleção de CRA para serviço de gás ácido

Fonte: tabelas de liga NACE MR0175; PREN calculado a partir da química nominal; Guias de seleção de CRA.

Quais são os limites operacionais ambientais para C276 em serviço ácido?

Como o C276 é qualificado como um CRA sem limite de craqueamento ambiental na NACE MR0175, seu limite operacional em gás ácido é definido por corrosão geral e localizada (não por SCC) - normalmente ele funciona a cerca de 190-230 graus C em serviço aquoso ácido e a cerca de 400-450 graus C em gás ácido seco, muito além da faixa de temperatura onde o aço carbono falharia pelo SSC.

Para aços carbono e de baixa{0}liga, a NACE MR0175 impõe limites rigorosos com base na pressão parcial de H2S, pH e cloreto (o envelope de "craqueamento ambiental"). O C276, como CRA, está isento desses limites SSC/SOHIC, portanto o limite real passa a ser a taxa de corrosão.

Em serviços ácidos aquosos (água produzida com H2S, CO2, cloretos), o C276 permanece passivo e corrói a menos de 0,1 mm/ano até aproximadamente 190-230 graus C, além do qual a corrosão geral em ácido forte pode aumentar. Em gás ácido seco ou não{8}}aquoso (sem água livre), o C276 pode servir em temperaturas ainda mais altas, com o limite de alta-temperatura da liga governado por sua resistência à oxidação/sulfidação - cerca de 400-450 graus C em ambientes contendo enxofre (e até cerca de 650 graus C em serviço com ar limitado).

O ponto de projeto é: especificar C276 para a zona úmida, clorada e com alto-H2S de um sistema ácido; para as seções secas e mais quentes a montante, ligas inferiores ou C276 podem funcionar, mas o C276 fornece margem. Os limites de temperatura devem sempre ser confirmados em relação à concentração específica de ácido e ao nível de cloreto usando dados ou testes de corrosão.

Tabela 4. Envelope Operacional Indicativo C276 em Serviço Sour

Fonte: envelope NACE MR0175 CRA; Dados de corrosão Haynes C276; diretrizes para materiais de petróleo e gás.

Quais controles de dureza e{0}}trabalho a frio se aplicam ao C276 em serviço ácido?

Para conformidade com NACE MR0175, o C276 deve ser fornecido na condição de solução-recozida com dureza abaixo de 35 HRC e trabalho a frio total abaixo de 20 por cento; esses controles evitam a formação de fases duras e tensões residuais que poderiam, em teoria, comprometer a imunidade SSC intrínseca da liga.

Embora o C276 seja intrinsecamente imune a SSC-, a NACE ainda impõe limites de dureza e trabalho a frio-porque a fabricação pode introduzir inadvertidamente zonas duras ou tensão residual. O teto de 35 HRC é facilmente alcançado: a solução{5}}recozida C276 normalmente mede 85-95 HRB, o que se converte em aproximadamente 15-20 HRC - bem abaixo do limite. O trabalho a frio acima de 20 por cento aumenta a dureza e introduz tensão residual de tração, por isso é limitado; qualquer formação além de 20 por cento deve ser seguida por um recozimento completo da solução para restaurar a conformidade.

As soldas são um caso especial: como o C276 é imune à sensibilização, a zona-soldada é aceita sem PWHT, mas a dureza do depósito de solda também deve ser verificada abaixo de 35 HRC (os depósitos ERNiCrMo-4/10 estão normalmente na faixa de 85-95 HRB). As especificações de aquisição e fabricação devem fazer referência explícita à NACE MR0175, exigir testes de dureza tanto no metal base quanto na solda e proibir o trabalho a frio superior a 20 por cento, a menos que seja recozido novamente.

Tabela 5. Lista de verificação de conformidade-de dureza e trabalho a frio

Fonte: NACE MR0175/ISO 15156-3; Seção IX da ASME; planos de qualidade de fabricação.

Como o C276 é soldado para serviços de gás ácido?

C276 para gás ácido é soldado com enchimento ERNiCrMo-4 ou ERNiCrMo-10, purga rigorosa de argônio (O2 abaixo de 50 ppm), entrada de calor 0,5-1,5 kJ/mm, interpasse abaixo de 93 graus C e nenhum tratamento térmico pós-soldagem - e a solda acabada deve ter dureza verificada abaixo de 35 HRC para reter NACE Conformidade com MR0175.

A soldagem C276 para serviço ácido segue o mesmo procedimento disciplinado da soldagem C276 geral, com o requisito adicional de uma pesquisa de dureza para comprovar a conformidade. O enchimento (ERNiCrMo-4 ou ERNiCrMo-10) deposita metal de solda que é intrinsecamente resistente a SSC e mede abaixo de 35 HRC, portanto, nenhum PWHT é necessário - o que é uma sorte porque PWHT na faixa de 600-1150 graus C seria proibido de qualquer maneira (isso fragilizaria a liga). A purga de suporte de argônio (O2 abaixo de 50 ppm) protege a raiz da oxidação que poderia criar um local de início de corrosão em serviço ácido.

O controle de entrada de calor evita a precipitação intermetálica. Após a soldagem, PT (para trincas superficiais) mais RT/UT (para solidez interna) e uma verificação de dureza na tampa de solda e HAZ confirmam que a junta atende à NACE. Para soldas de linepipe ou flowline, um WPS qualificado de acordo com a Seção IX da ASME com aceitação NACE é obrigatório, e o registro de qualificação do procedimento de soldagem (WPQR) deve documentar os resultados de dureza.

Tabela 6. Parâmetros de soldagem de serviço C276 Sour-

Fonte: Seção IX da ASME; NACEMR0175; Guia de soldagem Haynes C276 H-2002.

Estudo de caso: falha na linha de fluxo de gás ácido - 316L substituída por C276

Uma linha de fluxo de gás ácido originalmente especificada em 316L falhou devido à fissuração por corrosão sob tensão de cloreto após 14 meses em um serviço quente, com alto teor de-cloreto e alto-H2S; a substituição do carretel afetado por Hastelloy C276 (UNS N10276) eliminou o modo de falha do SCC e operou sem incidentes por mais de 9 anos.

O campo produziu gás ácido úmido com aproximadamente 3-5 por cento de H2S, 8-10 por cento de CO2 e 30.000-60.000 ppm de cloreto na água produzida, a uma temperatura de linha de fluxo de cerca de 75-90 graus C. O carretel 316L original, embora dentro de seu limite ambiental NACE MR0175 no papel, falhou por cloreto intergranular SCC em uma solda zona afetada pelo calor após apenas 14 meses, causando um vazamento e desligamento contido, mas caro. A investigação metalúrgica confirmou o Cl-SCC clássico originado em uma cava.

O operador re-especificou o carretel propenso a falhas (e vários locais semelhantes) em C276 (UNS N10276), solução-recozida, com enchimento de solda ERNiCrMo-10 e fabricação totalmente compatível com NACE-. Desde a instalação, os carretéis C276 acumularam mais de 9 anos de serviço sem SCC, sem vazamentos e com taxas de corrosão abaixo de 0,05 mm/ano no monitoramento ultrassônico. O prémio de material (C276 cerca de 12-16 vezes o custo de 316L por kg) foi justificado por evitar paragens repetidas e o risco de segurança de uma libertação de gás ácido.

Fonte: Relatório de investigação de falha do operador (anonimizado); JN Alloy sour-arquivo de casos de serviço.

Como o C276 é qualificado e inspecionado para serviços ácidos?

A qualificação de serviço-azedo C276 depende da confirmação da condição do material NACE MR0175 (solução-recozida, < 35 HRC, < 20 por cento de trabalho a frio) além da qualificação de solda padrão de acordo com a Seção IX da ASME, apoiada por PMI, testes de dureza e NDT; O teste SSC formal de acordo com NACE TM0177 é opcional, mas pode ser solicitado para serviços críticos.

Como o C276 já está listado como um CRA qualificado, a maioria dos projetos não{1}}reexecuta testes laboratoriais SSC (NACE TM0177 Método A/B), a menos que a especificação de aquisição exija isso. O caminho de qualificação de rotina é: (1) certificado do moinho (EN 10204 3.1/3.2) confirmando a condição química e recozimento da solução UNS N10276-; (2) teste de dureza confirmando abaixo de 35 HRC na base e na solda; (3) PMI confirmando a liga correta em cada comprimento e no depósito de solda; (4) WPS/WPQ conforme ASME Seção IX; (5) END (PT, RT/UT) de acordo com o código vigente.

Para serviços de H2S críticos ou altos (por exemplo, Classe 3), o comprador pode exigir um cupom de teste SSC TM0177 que confirma que não há rachaduras após 720 horas sob carga na solução H2S padrão - C276 passa prontamente. O pacote de documentação torna-se a prova da conformidade com a NACE MR0175 para o arquivo do equipamento.

Tabela 7. Qualificação e inspeção-do serviço Sour

Fonte: NACE MR0175; NACETM0177; Seção IX/VIII da ASME; planos de controle de qualidade de fabricação.

Perguntas frequentes: C276 e Sour Gas

P: O Hastelloy C276 é aprovado para serviço ácido NACE MR0175?

R: Sim. UNS N10276 (Hastelloy C276) é listada como uma liga resistente-à corrosão (CRA) aceitável na NACE MR0175/ISO 15156 Parte 3 para serviço ácido na condição recozida-em solução. Não possui limite de fissuração ambiental (SSC/SOHIC) vinculado à pressão parcial de H2S porque é intrinsecamente resistente. A conformidade exige dureza abaixo de 35 HRC e trabalho a frio abaixo de 20%, sem tratamento térmico pós{13}}soldagem na faixa de 600 a 1.150 graus C.

P: Por que o C276 resiste à trinca por tensão por sulfeto quando o aço inoxidável não?

R: O alto teor de níquel do C276 (cerca de 57 por cento) torna sua matriz imune à corrosão sob tensão por cloreto e à fissuração por tensão por sulfeto (SSC) induzida por hidrogênio. Aços inoxidáveis ​​austeníticos, como 316L, quebram por cloreto SCC acima de cerca de 60 graus C e podem ser fragilizados em serviço ácido, enquanto a solução sólida de níquel-monofásica do C276 não suporta esses mecanismos. Em termos de campo, o C276 remove o modo de falha do SCC em vez de apenas aumentar o limite.

P: O C276 pode ser usado em gás ácido com alto-H2S e alto-cloreto?

R: Sim. O C276 é especificamente adequado para ambientes ácidos, clorados e redutores mais agressivos - alta pressão parcial de H2S, água produzida com alto teor de cloreto e pH baixo - onde 316L, 904L e até mesmo Liga 825 seriam restritos ou falhariam. Seu PREN de cerca de 68 e alto teor de molibdênio conferem-lhe resistência ao cloreto e imunidade ao SSC. O limite operacional é definido pela corrosão geral (aproximadamente até 190-230 graus C em serviço úmido e ácido), e não por rachaduras ambientais.

P: O C276 precisa de tratamento térmico pós{1}}soldagem para serviços ácidos?

R: Não. O C276 NÃO deve ser tratado termicamente pós{2}}soldagem na faixa de 600-1150 graus C porque isso causaria precipitação intermetálica fragilizante. A condição como{7}}soldada já é ideal para resistência à corrosão e SCC, e a NACE MR0175 aceita a junta como{10}}soldada. O único requisito é verificar a dureza do depósito de solda abaixo de 35 HRC e usar soldagem em conformidade com NACE (enchimento ERNiCrMo-4/10, purga de argônio, entrada de calor controlada).

P: Como o C276 se compara ao Inconel 625 para gás ácido?

R: Ambos são excelentes CRAs para serviços ácidos. C276 (PREN cerca de 68, molibdênio mais alto) é superior em ambientes fortemente redutores, com alto teor de-cloreto e alto{4}}ácido H2S, enquanto o Inconel 625 (PREN cerca de 51) é excelente na oxidação de-cloreto e água do mar-como serviços ácidos e oferece maior resistência. C276 é a referência para reduzir fluxos ácidos-dominados por{12}}ácido; 625 é frequentemente escolhido onde maior resistência mecânica ou resistência ao cloreto oxidante é a prioridade.

P: Qual é o custo adicional do uso do C276 em vez do 316L em serviço ácido?

R: O C276 custa cerca de 12 a 16 vezes mais por quilograma do que o aço inoxidável 316L. No entanto, em serviços ácidos e clorados, onde o 316L falha por SCC de cloreto dentro de 1-2 anos, o C276 oferece vida útil de 20 a 30 anos, eliminando paralisações, risco de vazamento e substituições repetidas. A análise do custo do ciclo de vida geralmente favorece o C276 para as zonas ácidas críticas, com ligas inferiores reservadas para as seções não críticas do sistema.