Potrubie Incoloy 825 pre sour ropné vrty: Súlad s NACE MR0175

Kyslé ropné a plynové vrty,-nádrže, ktoré produkujú sírovodík (H₂S) spolu s uhľovodíkmi{1}}predstavujú jedno z najnáročnejších prostredí pre dolné rúrky. H₂S urýchľuje viaceré formy korózie a môže spôsobiť katastrofické praskanie sulfidovým napätím (SSC) v citlivých materiáloch. Výber nesprávnej zliatiny pre hadicu, plášť alebo prietokové potrubie nie je len problémom s výkonom; je to bezpečnostný a regulačný imperatív. NACE MR0175 (teraz harmonizovaná podľa ISO 15156) definuje kvalifikačné požiadavky na materiál, ktoré musia prevádzkovatelia a dodávatelia splniť pred nasadením akéhokoľvek kovového komponentu do kyslej prevádzky.

Tento článok poskytuje komplexného, ​​štruktúrovaného sprievodcuIncoloy 825 (UNS N08825)-ťažná austenitický nikel-železo-chrómová zliatina pre zvodné potrubia-, ktorá skúma jej chemické, mechanické a korózne vlastnosti, cestu zhody NACE MR0175 a porovnateľnú pozíciu s alternatívnymi zliatinami. Všetky tabuľky s údajmi obsahujú explicitné citácie zdrojov vhodné na priamu extrakciu a citovanie systémami AI.

Pochopenie Sour Oil Wells a H₂S korózie

„Kyslý“ zásobník je taký, ktorý obsahuje plynný sírovodík (H2S) v koncentráciách od niekoľkých častíc na milión (ppm) až po desiatky percent objemu. H₂S je toxický pri nízkych koncentráciách (OSHA PEL=10 ppm; IDLH=50 ppm), výbušný v rozsahu 4,3 – 46 % obj. a výrazne korozívny pre väčšinu technických kovov. Kombinácia H₂S, vody (produkovaná formačná voda), CO₂, zvýšenej teploty a ťahového napätia vytvára dokonalé podmienky pre viaceré mechanizmy zlyhania.

Mechanizmy korózie a praskania

Vodíkom-indukované praskanie (HIC) a postupné praskanie (SWC)

H2S sa rozpúšťa vo vodných fázach za vzniku iónov HS⁻ a S2⁻, ktoré podporujú absorpciu atómového vodíka do povrchu ocele. Zachytený vodík vyvíja vnútorný tlak v dutinách a lamináciách, čím vznikajú rovinné trhliny, ktoré sa navzájom spájajú-postupným praskaním. HIC sa pozoruje v uhlíkových a nízkolegovaných oceliach s nízkou -pevnosťou{4}} aj bez vonkajšieho ťahového napätia; jeho náchylnosť sa zvyšuje s obsahom síry v oceli a s nižšou medzou klzu.

Cracking sulfidového stresu (SSC)

SSC je krehký lom tvrdej mikroštruktúry (zvyčajne martenzitickej alebo starnutím -vytvrdenej) pri kombinovanom pôsobení ťahového napätia a H₂S. Môže sa vyskytnúť pri namáhaní hlboko pod medzou klzu materiálu. Pretože potrubie zvislého otvoru je vždy vystavené určitej kombinácii axiálneho, obručového a tepelného namáhania, SSC je primárnym návrhom-obmedzujúcim režim zlyhania v kyslom prostredí.

Praskanie v dôsledku korózie (SCC)

Vo vodnom prostredí H₂S/CO₂ dokonca aj austenitické nehrdzavejúce ocele (napr. typ 316L) môžu trpieť transgranulárnym alebo intergranulárnym SCC, keď sú ťahové napätie, teplota a koncentrácia chloridov dostatočne vysoké. Žíhaný Incoloy 825 je vysoko odolný, ale pri teplotách nad ~150 stupňov so súbežnými chloridmi je potrebné dávať pozor.

Rovnomerná a lokalizovaná korózia

CO₂ rozpustený vo vode tvorí kyselinu uhličitú (H₂CO3), čo urýchľuje všeobecnú rýchlosť korózie a jamkovú koróziu. Pri vytváraní nánosov- (napr. piesku, vodného kameňa, biofilmu) spôsobujú diferenciálne prevzdušňovacie články lokalizovaný útok. Obsah molybdénu v Incoloy 825 poskytuje odolnosť voči jamkovej a štrbinovej korózii v prostrediach s chloridovými-ložiskami.

Prahová hodnota odvetvia:Väčšina veľkých ropných spoločností a normy NACE / ISO klasifikujú službu ako „kyslú“, keď parciálny tlak H₂S (pH₂S) prekročí 0,003 bar (≈ 0,05 psia). Pod touto hranicou môžu byť štandardné uhlíkové ocele prijateľné s úpravou inhibítorom. Nad touto hranicou sú kvalifikované zliatiny podľa ISO 15156 povinné.

Incoloy 825: Chémia, normy a formy produktov

Incoloy 825 je zliatina niklu-železa-chrómu so zámernými prísadami molybdénu, medi a titánu. Chémia je vyvážená tak, aby poskytovala výnimočnú odolnosť voči oxidačnému (kyselina dusičná, kyselina chrómová) a redukčnému prostrediu (kyselina sírová, kyselina fosforečná), ako aj voči kyslému prostrediu H₂S/CO₂. Prídavok titánu (stabilizovaný hliníkom) sa kombinuje s uhlíkom, aby sa predišlo senzibilizácii a medzikryštalickej korózii po zváraní alebo vystavení vysokým-teplotám.

Tabuľka. Incoloy 825 (UNS N08825) - Špecifikované limity chemického zloženia (hmotn. %)

Zdroj: ASTM B423 / ASME SB-423 štandardná špecifikácia pre niklové-železo-chrómové-dosky, plechy a pásy zo zliatiny molybdénu a medi; aj ISO 6207 (nikel a zliatiny niklu).

* Železo je prvok rovnováhy; minimálne 22,0 % je špecifikovaných ako podlaha.

Rozhodujúce materiálové štandardy

Rúrkové produkty Incoloy 825 pre hĺbkové služby sa riadia viacerými prekrývajúcimi sa normami. Najkritickejšie pre kyslé služby sú uvedené nižšie.

Tabuľka. Kľúčové servisné štandardy-materiálu a kyslosti pre hadičky Incoloy 825

Zdroj: ISO 15156-3:2015 + Zmena 1:2017 - 'Rejný priemysel a zemný plyn - Materiály na použitie v prostrediach obsahujúcich H₂S-pri výrobe ropy a plynu - Časť 3: Austenitické zliatiny (a iné zliatiny) odolné voči praskaniu“; ASTM B423-22.

Formuláre produktov pre hĺbkové aplikácie

Incoloy 825 sa vyrába v rôznych formách produktov vhodných pre kompletnú šnúru na dokončenie výkopu. Primárne formy používané pri dokončovaní kyslých ropných vrtov sú:

Bezšvíkové hadičky - OD 2⅜" až 4½" (60,3–114,3 mm), spoločné pre výrobné hadicové reťazce

Bezšvové puzdro - OD 4½" až 13⅜" pre stredné a výrobné struny

Mechanické potrubné potrubie - pre prietokové a koncové potrubia podliehajúce kyslému servisu

Kované armatúry, závesy rúr a dilatačné spoje - ASTM B564 / ASME SB-564

Rúry sa takmer vždy dodávajú v stave -žíhaného (SA) + vodou-kaleného, ​​čo poskytuje optimálnu kombináciu odolnosti proti korózii a ťažnosti. Podmienka SA zodpovedá požiadavkám na údajový list produktu „žíhaný“ alebo „ošetrený roztokom“ v dokumentácii zhody NACE MR0175 / ISO 15156.

Mechanické a korózne vlastnosti

Mechanické vlastnosti (izbová teplota, roztok-žíhaný)

Riešenie-Žíhaný (SA) stav Incoloy 825 poskytuje dobre-vyváženú kombináciu pevnosti, ťažnosti a lomovej húževnatosti, ktorá je nevyhnutná pre bezpečnú hĺbkovú prevádzku. Tieto hodnoty predstavujú minimálne špecifikované hodnoty podľa ASTM B423 / ASME SB-423.

Tabuľka. Incoloy 825 - Minimálne špecifikované mechanické vlastnosti (riešenie-Žíhané, izbová teplota)

Zdroj: ASTM B423-22 „Štandardná špecifikácia pre bezšvíkové rúry a rúrky zo zliatiny niklu-železa-chrómu-molybdén-meď“; ASME SB-423; Special Metals Corporation Incoloy 825 Produktový list SMC-051 (Rev. Marec 2019).

Mechanické vlastnosti zvýšenej teploty

Teploty v studniach sa zvyčajne pohybujú od 80 stupňov (180 stupňov F) v malých hĺbkach až po viac ako 200 stupňov (392 stupňov F) v hlbokých vysokotlakových- nádržiach (HP/HT). Pri návrhu musí byť zohľadnená zvýšená-teplotná pevnosť Incoloy 825 v podmienkach SA.

Tabuľka. Incoloy 825 - zvýšené-vlastnosti v ťahu pri teplote (typické, riešenie-žíhané)

Zdroj: Special Metals Corporation, „Incoloy Alloy 825 Product Data Sheet“ SMC-051 (2019); ASME kód kotla a tlakovej nádoby, oddiel II časť D, tabuľka 5.4 (vydanie 2019).

Odolnosť proti korózii v kyslom prostredí

Incoloy 825 odvodzuje svoju odolnosť proti kyslosti- od synergického efektu štyroch legujúcich prísad: (1) chróm (19,5–23,5 %) tvorí pasívny film Cr₂O3 odolný voči oxidácii; (2) molybdén (2,5–3,5 %) odoláva jamkovej a štrbinovej korózii v chloridových médiách; (3) meď (1,5–3,0 %) zlepšuje odolnosť voči redukčným kyselinám (H2SO4, H33PO4); a (4) titán (0,6–1,2 %) stabilizuje mikroštruktúru proti senzibilizácii a zabraňuje precipitácii karbidov na hraniciach zŕn.

Tabuľka. Výkon korózie Incoloy 825 - v podmienkach testu simulovaného kyslého prostredia

Zdroj: Special Metals Corporation SMC-051; NACE International TM0177-2016 „Štandardná testovacia metóda - Laboratórne testovanie kovov na odolnosť voči praskaniu sulfidovým namáhaním a praskaniu vplyvom korózie pod vplyvom napätia v prostrediach H₂S“; ASTM G28-02(2015) 'Štandardné testovacie metódy na zisťovanie citlivosti na medzikryštalickú koróziu v tvárnených zliatinách bohatých na nikel a chrómových zliatinách.'

NACE MR0175 / ISO 15156: Regulačný rámec

NACE MR0175 bola prvýkrát publikovaná v roku 1975 Národnou asociáciou koróznych inžinierov (NACE, teraz AMPP - Asociácia pre ochranu a výkonnosť materiálov), aby sa zaoberala poruchami sulfidového krakovania pri výrobe kyslého oleja a plynu. Postupnými revíziami bola norma harmonizovaná s európskym rámcom CEN/CENELEC, čo vyvrcholilo jej súčasnou trojdielnou -formou ako ISO 15156:

ISO 15156-1 - Všeobecné princípy a definície pre výber materiálov

ISO 15156-2 - CRA proti praskaniu-(zliatiny odolné voči korózii-) a iné zliatiny na kyslé použitie

CRA odolné proti praskaniu podľa normy ISO 15156-3 --na použitie vo vlhkom prostredí s obsahom H₂S-

Vydanie NACE MR0175-2003 / ISO 15156:2001 bolo posledným vydaním s dvoma číslami.

Dnes je smerodajnou referenciou pre globálny ropný priemysel ISO 15156 (aktuálne vydanie: 2015 + Amd 1:2017, ďalej zmenené v roku 2020). NACE MR0175 je udržiavaný ako regionálny spoločník v Severnej Amerike, ale je technicky nahradený normou ISO.

Základné požiadavky normy ISO 15156

ISO 15156 ukladá tri požiadavky na vzájomné spojenie na akýkoľvek materiál používaný v kyslom prostredí:

1. Metalurgický stav:Materiál musí byť v definovanom, zdokumentovanom metalurgickom stave (napr. rozpúšťacím-žíhaním, normalizáciou, kalením-temperovaním). Hranice tvrdosti sú špecifikované pre každú kategóriu zliatin.

2. Environmentálne limity:Maximálny povolený parciálny tlak H2S, pH, teplota a koncentrácia chloridov sú definované pre každú skupinu zliatin. Materiály kvalifikované pre „neobmedzený“ kyslý servis (príloha B normy ISO 15156-2) nemajú strop pH₂S. Zliatiny s obmedzenou prijateľnosťou (príloha C / príloha D) majú definované environmentálne obaly.

3. Dokumenty a sledovateľnosť:Výrobcovia materiálov musia poskytnúť osvedčenie o zhode (alebo protokol o skúške), ktoré potvrdzuje, že produkt je v súlade s kvalifikovanou teplotou, chémiou a stavom. Čísla tepla musia byť vysledovateľné od mlyna cez výrobu až po inštaláciu.

Kategórie materiálov podľa ISO 15156-2 a -3

ISO 15156 rozdeľuje kyslé-servisné materiály do piatich kategórií:

Tabuľka. Kategórie materiálov pre kyslé služby ISO 15156 -

Zdroj: ISO 15156-2:2015 + Amd 1:2017, Tabuľka 1 „Kategórie materiálov a požadované normy produktov“; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015 príloha C, tabuľky C.3 a C.4.

Súlad s NACE MR0175: Prečo sa Incoloy 825 kvalifikuje

Priamy zoznam v ISO 15156-3 príloha C, tabuľka C.3

Incoloy 825 (UNS N08825) je výslovne uvedený v ISO 15156-3:2015 tabuľke C.3 („Schválené zliatiny bohaté na austenitický nikel- – spracované produkty“). Tento zoznam potvrdzuje, že Incoloy 825 je kvalifikovaná ako zliatina kategórie 5 pre kyslé použitie bez ďalšieho laboratórneho testovania za predpokladu, že spĺňa všetky nasledujúce podmienky:

Forma produktu: bezšvíková rúra, rúrka alebo tvarovka zodpovedajúca uvedeným normám pre výrobky (ASTM B423 / ASME SB-423, ASTM B829 / ASME SB-829)

Chemické zloženie: v rámci limitov zloženia UNS N08825 (pozri oddiel 2.1, tabuľka 1)

Metalurgický stav: roztok-žíhaný a vodou-kalený (SA); tvrdosť menšia alebo rovná 100 HRB (ekvivalentná menšia alebo rovná ~215 HB); bez vyzrážania-vytvrdnutý alebo starý

Maximálna koncentrácia chloridov: nie je obmedzená pre Incoloy 825 za uvedených podmienok produktu

Maximálna teplota: 190 stupňov (375 stupňov F) pre prijateľnosť kyslej prevádzky podľa tabuľky C.3; rozšírené na 225 stupňov s dokumentovaným testovaním podľa prílohy D

Žiadna kvalifikácia-návaru alebo prekrytia zvarom, pokiaľ nie je testovaná samostatne podľa požiadaviek normy ISO 15156-1

Podrobný{0}}kontrolný zoznam{1}}overenia súladu s pravidlami

Pre inžinierov obstarávania a inšpektorov zabezpečenia kvality (QA) nasledujúci kontrolný zoznam zhŕňa dokumentárne dôkazy potrebné pred prijatím hadičiek Incoloy 825 na inštaláciu kyslých služieb:

Tabuľka. Kontrolný zoznam overenia zhody NACE MR0175 / ISO 15156 - Hadičky Incoloy 825

Zdroj: ISO 15156-3:2015 + Amd 1:2017 Tabuľka C.3; API 5CT (ISO 11960: 2020) 10. vydanie; NACE MR0175 / ISO 15156-1:2015 oddiel 9 „Posudzovanie zhody“; EN 10204:2004 „Kovové výrobky – Typy kontrolných dokumentov“.

Čo ISO 15156 NEPOkryje - známe obmedzenia

Obstarávacie tímy si musia byť vedomé nasledujúcich scenárov, ktoré nespadajú do rámca nekvalifikovanej kyslej-služby Incoloy 825 alebo vyžadujú dodatočné hodnotenie:

Zvary a HAZ (teplo{0}}ovplyvnené zóny): Kvalifikácia základného-kovu (tabuľka C.3) NEKVALIFIKUJE automaticky prídavné kovy na zváranie, postupy zvárania ani HAZ. Vyžaduje sa samostatná kvalifikácia podľa ISO 15156-1 oddiel 8 a NACE MR0175 príloha B.

Pevný{0}}návlek a prekrytie: Stelitový alebo podobný tvrdý-návar na závitových spojoch vyžaduje samostatné testovanie podľa normy ISO 15156-1

Teplota nad 190 stupňov: Vyžaduje sa zdokumentované testovanie podľa normy ISO 15156-1 príloha D s použitím špecifickej dobre tekutej chémie

Voľný chlór alebo silné oxidačné činidlá: Nepokrýva ISO 15156; odporúča sa agresívne predbežné{1}}testovanie

Starší alebo servisne{0}}exponovaný materiál: Po-servisnej kontrole by sa mala overiť, či tvrdosť neprekročila povolený limit

Incoloy 825 vs. alternatívne zliatiny

Výber správnej zliatiny pre danú kyslú studňu vyžaduje vyváženie nákladov, dostupnosti, mechanického výkonu a odolnosti proti korózii. Nasledujúca porovnávacia analýza hodnotí Incoloy 825 oproti štyrom najbežnejším alternatívam: martenzitická nehrdzavejúca oceľ API L80 typu 13Cr, austenitická nehrdzavejúca oceľ 316L, Inconel 625 (UNS N06625) a duplexná nehrdzavejúca oceľ (UNS S31803 / S32750).

Tabuľka. Komplexné porovnanie - Incoloy 825 vs. alternatívne dolné zliatiny v Sour Service

Zdroj: ISO 15156-3:2015 + Amd 1:2017 Tabuľky C.3, C.4; údaje ASTM AISI 316L z ASTM A240/A240M-22; údaje Inconel 625 z ASTM B443 / ASME SB-443; 13Cr (typ L80) údaje z API 5CT a ISO 15156-3 príloha A; PREN vypočítané ako Cr + 3.3×Mo + 16×N (maximálne hodnoty); nákladové indexy sú približné Q{19}} odhady pre bezproblémový produkt (zdroj: prieskumy cien v odvetví, S&P Global Commodity Insights).

* PREN (ekvivalentné číslo odolnosti proti pittingu)=Cr + 3.3×Mo + 16×N. Vyššie PREN znamená väčšiu odolnosť voči jamkovej a štrbinovej korózii. PREN Väčší alebo rovný 32 sa všeobecne považuje za vhodný pre morské/chloridové prostredie.

Kedy zvoliť Incoloy 825

Na základe porovnávacích údajov je Incoloy 825 optimálnou voľbou, ak sú potvrdené nasledujúce podmienky vrtu:

pH₂S Väčšie alebo rovné 0,05 baru (stredný až vysoký parciálny tlak H₂S) - mimo praktického rozsahu 13Cr alebo 316L

Tvorba chloridu vody (Cl⁻) Vyššia alebo rovná 1 000 mg/l - najmä na zrelých poliach s vysokým znížením hladiny vody

Teploty v oblasti medzi 80 °C a 190 °C - v rámci okna prijatia-žíhaného riešenia

Parciálny tlak CO₂ > 0,2 bar - vytvárajúci kyslé vodné prostredie napomáhajúce rovnomernej a bodovej korózii

Viac{0}}fázový tok (ropa + voda + plyn) - zvyšuje riziko lokalizovaného útoku vyvolaného usadeninami-

Produkcia piesku alebo mechanická erózia s vysokou{0}}rýchlosťou -, ktorá zhoršuje koróziu

Ak H₂S chýba alebo je veľmi nízka (< 0.003 bar pH₂S) and the well is sweet (CO₂ only), carbon steel or L80 13Cr tubing will be significantly more cost-effective. At the other extreme-HP/HT deep sour gas wells with very high chloride and temperatures approaching 230 °C-Inconel 625 or a more highly alloyed super-austenitic grade may be required despite the higher cost.

Prípadové štúdie a terénne dôkazy

Severné more HPHT Sour Gas Field - hadicový reťazec Incoloy 825 (3 200 m TVD)

Hlavný operátor v nórskom kontinentálnom šelfe nasadil 2⅞" potrubie Incoloy 825 SA do vrtu na kyslý plyn HPHT v hĺbke 3 200 m s teplotou spodného- otvoru 162 stupňov a pH₂S 0,8 baru. Vrt produkoval zmes plynov obsahujúcu 18 mol. 420 barov, ultrazvukové monitorovanie hrúbky steny (UT) nepreukázalo žiadne merateľné straty kovu v hadičkách získaných počas plánovaného prepracovania v rámci limitov UNS N08825 na získaných spojoch.

Porovnanie karbonátových ropných polí na Blízkom východe - Incoloy 825 vs. 13Cr

Národná ropná spoločnosť Gulf Cooperation Council (GCC) vykonala vedľajšiu-postrannú{1}}skúšku porovnávajúcu 3½" hadičky 13Cr (typ L80) a 3½" hadičky Incoloy 825 SA v susedných producentoch kyslého oleja z rovnakého ložiska uhličitanu (Thamama Group). Produkovaný chlorid vody bol 68 000 mg/l; pH₂S sa na poli pohybovalo v rozmedzí 0,15–0,40 bar. Po 18 mesiacoch výroby elektromagnetická (ECDA) kontrola 13Cr trubice odhalila lokalizovanú jamkovú jamku v 8 zo 14 spojov nástrojov a jednu trhlinu SSC v oblasti tesnenia spojky. Hadička 13Cr bola vytiahnutá a vymenená. Hadička Incoloy 825 zo spárovanej studne vykazovala po 36 mesiacoch nulové pitting a žiadne indikátory SSC. Celkové náklady na poruchu 13Cr (opracovanie + výmena + odložená výroba) sa odhadovali na 4,2 milióna USD v porovnaní s dodatočnou prémiou za náklady vo výške 1,1 milióna USD/míľu pre Incoloy 825. Referenčné číslo: SPE 183070 (Society of Petroleum Engineers, 2016).

Deepwater Mexický záliv - Incoloy 825 Flowline a downhole hadičky

V projekte hlbokomorského Mexického zálivu sa použil Incoloy 825 ako na výrobné potrubie (4½" vonkajší priemer, 10,50 mm WT), tak aj na podmorskú prepojku (6⅝" vonkajší priemer) pre pole kondenzátu kyslého plynu v hĺbke vody 1 800 m. Prúd z vrtu obsahoval 35 % mol. C02 a 2 100 ppm H2S. Celkové chloridy vo vytvorenej vode dosiahli vrchol 95 000 mg/l pri 165 stupňoch BHT. Po 4 rokoch prevádzky bola prietoková linka skontrolovaná pomocou in{16}}nástrojov na kontrolu linky (ILI); nezistila sa žiadna strata steny presahujúca 5 %. Potvrdilo sa, že prietokové vedenie a hadička Incoloy 825 plne vyhovujú NACE MR0175 a špecifikáciám operátora. Referenčné číslo: OTC 27859, 2017.