Materialien für Kreiselpumpen zur Förderung von Produkten, die Schwefelwasserstoff enthalten

Jul 30, 2023

Das Vorhandensein von Schwefelwasserstoff (H2S), selbst in Spuren, und Wasser in einem Produkt kann zu Sulfidspannungsrissen (SSC) und wasserstoffinduzierten Rissen (HIC) in Standardmaterialien führen, die bei der Herstellung von Kreiselpumpen verwendet werden.

Diese Rissbildung kann zu einem katastrophalen Ausfall des Bauteils führen. Die richtige Materialauswahl zur Kontrolle von SSC und HIC wird in den Standards MR0103 und MR0175 der National Association of Corrosion Engineers (NACE) behandelt. In diesem Artikel werden Standardmaterialien für den Bau benetzter Komponenten für Pumpen im H2S-Betrieb festgelegt. Im Allgemeinen erfordern die verwendeten Materialien eine geringere Härte und Festigkeit des ausgewählten Materials.

Während andere Materialien möglicherweise akzeptabel sind, funktionieren die aufgeführten Materialien für alle API 610-Materialklassen. Beachten Sie, dass der Unterschied zwischen nassem und trockenem H2S in der Anwesenheit von Wasser liegt.

Es liegt in der Verantwortung des Benutzers, die Menge an feuchtem H2S anzugeben, die im Produkt vorhanden sein darf, und ob die vorhandene Menge dem NACE-Standard entspricht. Wenn Material mit reduzierter Härte und Festigkeit spezifiziert wird, entspricht das erforderliche Material NACE MR0103 oder NACE MR0175.

Obwohl es in der Verantwortung des Käufers ist, anzugeben, ob Materialien mit reduzierter Härte erforderlich sind, reichen bereits geringe Mengen H2S aus, um Materialien zu erfordern, die gegen Sulfid-Spannungskorrosionsrisse beständig sind.

Wenn Zweifel bestehen, ob Materialien mit reduzierter Härte erforderlich sind, sollten diese als Ausfallsicherung verwendet werden, um einen möglichen Ausfall der Ausrüstung zu verhindern.

NACE MR0103 oder MR0175 gelten für verschiedene Vorgänge. NACE MR0103 gilt für Ölraffinerien, Flüssigerdgasanlagen (LNG) und Chemieanlagen. NACE MR0103 gilt für Materialien, die möglicherweise einer Spannungsrisskorrosion durch Sulfid ausgesetzt sind.

NACE MR0175 gilt für Materialien, die in Öl- und Gasproduktionsanlagen sowie Erdgasaufbereitungsanlagen möglicherweise einer Spannungsrisskorrosion durch Sulfid und Chlorid ausgesetzt sind.

Eisenwerkstoffe mit reduzierter Härte, die nicht unter NACE MR0103 oder NACE MR0175 fallen, dürfen eine Streckgrenze von nicht mehr als 90.000 Pfund pro Quadratzoll (psi) und eine Härte von nicht mehr als Rockwell C (HRC) 22 (234 Brinell-Härtezahl [BHN]) aufweisen. Bauteile, die durch Schweißen hergestellt werden, müssen bei Bedarf nach dem Schweißen wärmebehandelt werden, damit sowohl die Schweißnähte als auch die Wärmeeinflusszonen den Anforderungen an Streckgrenze und Härte entsprechen.

Für folgende Bauteile sind mindestens härtereduzierte Werkstoffe vorzusehen:

Innengehäuseteile von Doppelgehäusepumpen, die unter Druck stehen, wie Diffusoren und Innengehäusebaugruppen, gelten nicht als Druckgehäuseteile.

Gehäuseverschraubungen für Pumpen mit axial geteiltem Gehäuse (z. B. API 610 BB1 und BB3) gelten nicht als benetzt.

Erneuerbare Laufradverschleißringe, die durchgehärtet sind, dürfen keine Härte größer als HRC 22 (234 BHN) haben. Erneuerbare Laufradverschleißringe, die entweder hartbeschichtet oder oberflächengehärtet sind, können verwendet werden, wenn die Härte des Substrats und der Übergangszonen eine Härte von nicht mehr als HRC 22 (234 BHN) aufweist.

Integrierte Verschleißflächen an den Laufrädern können oberflächengehärtet oder durch Aufbringen einer geeigneten Beschichtung anstelle der Bereitstellung erneuerbarer Laufrad-Schleißringe gehärtet werden, wenn die Härte ihres Substratmaterials nicht größer als HRC 22 (234 BHN) ist. Bei allen Materialgüten sind Variationen mit Legierungselementen wie Blei oder Schwefel zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit nicht zulässig.

Gusseisen ist für Verschleißteile der API-Materialklasse S-4 zulässig. Der gängige Standard für dieses Material ist die American Society for Testing and Materials (ASTM) A48 Klasse 30 und CIass 40.

Ni-resistente Verschleißringe können für die API-Klassen S-5 und S-6 verwendet werden. Wenn Ni-Resist spezifiziert ist, verwenden Sie ASTM A436 Typ 1 für die stationären Verschleißteile und ASTM A436 Typ 2 für die rotierenden Teile. Ni-resistente Teile sollten nicht verwendet werden, wenn der Differenzdruck mehr als 350 psi beträgt.

Kohlenstoffstahl ist akzeptabel, muss jedoch die Härteanforderung von RC22 (248 BHN) erfüllen und erfordert nach dem Schweißen eine Spannungsentlastung, unabhängig davon, wie klein die Schweißnaht ist. Die Standardmaterialklasse ist ASTM A216 Gr. WCB. Im Allgemeinen ist Stangenmaterial aus Kohlenstoffstahl nicht akzeptabel, da die geringe Härteanforderung die Festigkeit auf ein so niedriges Niveau reduziert, dass es für die meisten Anwendungen nicht geeignet ist. In Fällen, in denen die Festigkeit nicht wichtig ist, kann es verwendet werden, solange es die Anforderungen an Härte und Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) erfüllt.

ASTM 479 Typ 410 ist bei einer maximalen Härte von RC22 (248 BHN) akzeptabel, vorausgesetzt, es erfolgt diese dreistufige Wärmebehandlung:

ASTM A CA6NM ist bei RC23 (255 BHN) akzeptabel, vorausgesetzt, das Material wurde gemäß den folgenden Schritten wärmebehandelt:

Austenitischer Edelstahl mit der in Bild 1 gezeigten chemischen Zusammensetzung ist bei einer Härte von maximal RC 22 (248 BHN) im lösungsgeglühten und abgeschreckten Zustand oder im lösungsgeglühten und thermisch stabilisierten Zustand akzeptabel.

Kaltverformungen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften sind nicht zulässig. Der Pulsations-Hydrotest für mehrstufige Pumpen ist akzeptabel, da er zur Stabilisierung des Materials dient und die mechanischen Eigenschaften nicht verbessert.

ASTM A479 Typ XM19 (Nitronic 50) ist im lösungsgeglühten, warmgewalzten (warm/kaltverformten) oder kaltverformten Zustand bei RC 35 (327 BHN) akzeptabel.

Geschmiedeter und gegossener Duplex-Edelstahl ist im lösungsgeglühten und flüssigkeitsabgeschreckten Zustand akzeptabel. Die zulässige Härtezahl hängt mit der Lochfraß-Widerstandsäquivalentzahl (PREN) zusammen. Die PREN-Zahl kann mithilfe der Formel in Gleichung 1 berechnet werden.

Bei Duplex-Edelstählen muss der Ferritgehalt zwischen 35 und 65 Vol.-% liegen. Alterungswärmebehandlungen zur Erhöhung der mechanischen Eigenschaften sind wegen der Bildung von Versprödungsphasen unzulässig.

Super Duplex, ASTM A890 Klasse 5A wird sowohl für die Klassen D-1 als auch D-2 empfohlen, da es das einzige Material ist, das sowohl für NACE MR0103 als auch MR0175 akzeptabel ist.

Standard-Duplex, CD4MCuN der Güteklasse ASTM A890 ist für D-1-Anwendungen akzeptabel, wenn NACE MR0103 spezifiziert ist. Für NACE MR0175 ist dies nicht akzeptabel.

ASTM A747 CB7Cu-1 Zustand H1150M (17-4) ist bei einer Härte von RC 33 (327 BHN) akzeptabel. Benutzer sollten sicherstellen, dass das Material gemäß dem folgenden Verfahren wärmebehandelt wird:

A. Das Material muss eine maximale Härte von HRC 22 (234 BHN) aufweisen. Alle am Gussteil oder für die Fertigung durchgeführten Schweißarbeiten müssen einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) unterzogen werden, unabhängig davon, wie geringfügig die Schweißnaht ist. Wenn Guss- oder Fertigungsteile eines Anbieters verwendet werden, müssen diese vor der Verwendung einem PWHT-Verfahren unterzogen werden, da die Möglichkeit besteht, dass in der Gießerei geringfügige Schweißarbeiten durchgeführt und anschließend nicht wärmebehandelt wurden.

B. CA6NM-Gussteile sind bei HRC 23 (240 BHN) akzeptabel, vorausgesetzt, sie werden in drei Schritten wie folgt wärmebehandelt:

1. Austinitisieren bei mindestens 1.850 F und Abschrecken mit Luft oder Öl auf Umgebungstemperatur

2. Bei 1.200 bis 1.275 F temperieren und an der Luft auf Umgebungstemperatur abkühlen lassen

3. Bei 1.100 bis 1.150 F temperieren und an der Luft auf Umgebungstemperatur abkühlen lassen

C. Ni-beständige Verschleißringe sind akzeptabel, sofern der Benutzer dies genehmigt. Verwenden Sie ASTM A436 Typ 1 für die stationären Verschleißteile und ASTM A436 Typ 2 für die rotierenden Teile.

D. Die Mikrostruktur von Duplex-Edelstahl ist eine kritische Variable und muss dokumentiert werden. Der Ferritgehalt soll zwischen 35 und 65 Vol.-% liegen. Wenn die Lochfraßbeständigkeitszahl (PERN) für das Material über 40 % liegt, ist die Härte auf maximal HRC 32 (318 BHN) begrenzt.

E. ASTM A564 Typ 630, Zustand H1150 (17-4 PH) ist ein akzeptabler Ersatz für Nitronic 50 bei RC33 (327 BHN), wenn es gemäß den folgenden Kriterien wärmebehandelt wird:

1. Lösungsglühen bei 1.038 °C +/- 14 °C (1.900 °F +/- 25 °F) und Luftkühlung oder geeignete Flüssigkeitsabschreckung auf unter 32 °C (90 °F)

2. Bei 621 °C +/- 14 °C (1.150 °F +/- 25 °F) mindestens vier Stunden lang härten und an der Luft auf unter 32 °C (90 °F) abkühlen lassen.

3. Bei 621 °C +/- 14 °C (1.150 °F +/- 25 °F) mindestens vier Stunden lang aushärten und an der Luft abkühlen lassen

4. Bei Bedarf können zusätzliche Zyklen bei 621 °C +/- 14 °C (1.150 °F +/- 25 °F) durchgeführt werden, um einen akzeptablen Härtegrad zu erreichen

F. ASTM A890 Klasse 5A ist sowohl für die Klassen D-1 als auch D-2 spezifiziert. Dieses Material ist sowohl für NACE MR0103 als auch MR0175 akzeptabel. Standard-Duplex, CD4MCuN der Güteklasse ASTM A890 ist für D-1-Anwendungen akzeptabel, wenn NACE MR0103 spezifiziert ist. Für NACE MR0175 ist dies nicht akzeptabel.

G. ASTM A790 gr. S31803 kann für Duplex (D1) verwendet werden, wenn die verringerte Festigkeit, die sich aus der gemäß NACE (279 BHN) geforderten verringerten Härte ergibt, für die Konstruktion akzeptabel ist.

H. ASTM A240 gr. S31803 kann für Duplex (D1) verwendet werden, wenn die verringerte Festigkeit, die sich aus der gemäß NACE (279 BHN) geforderten verringerten Härte ergibt, für die Konstruktion akzeptabel ist.

1. API 610, 12. Ausgabe

2. NACE MR0103, Standardmaterialanforderungen, Materialien, die gegen Sulfidspannungsrisse in korrosiven Erdölraffinierungsumgebungen beständig sind

3. NACE MR0175, Standardmaterialanforderungen, Sulfidspannungsrissbeständige metallische Materialien für Ölfeldausrüstung

Charles Goodrich, PE ist Berater für PumpWorks, LLC. Er verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Pumpenindustrie. Er hat einen Abschluss in Maschinenbau von der Louisiana Tech University und ist ein eingetragener Berufsingenieur. Goodrich kann unter [email protected] erreicht werden. Weitere Informationen finden Sie unter www.pumpworks.com.