Эффективное обнаружение повреждений от влажного сероводорода (H₂S)
Коррозия Сероводород HIC/SOHIC PAUT TFM TOFD
Сероводород реагирует почти со всеми металлами, образуя сульфиды, которые по отношению к железу играют роль катода и образуют с ним гальваническую пару. Разность потенциалов этой пары достигает 0,2–0,48 В. Способность сульфидов к образованию микрогальванических пар со сталью приводит к быстрому разрушению технологического оборудования и трубопроводов.
Бороться с сероводородной коррозией чрезвычайно трудно: несмотря на добавки ингибиторов кислотной коррозии, трубы из специальных марок нержавеющей стали быстро выходят из строя. И даже полученную из сероводорода серу перевозить в металлических цистернах можно в течение ограниченного срока, поскольку цистерны преждевременно разрушаются из-за растворенного в сере сероводорода. При этом происходит образование полисульфанов HnSn. Полисульфаны более коррозионно-активные элементы, чем сероводород.
Сероводород, присоединяясь к непредельным соединениям, образует меркаптаны, которые являются агрессивной и токсичной частью сернистых соединений — химическими ядами. Именно они значительно ухудшают свойства катализаторов: их термическую стабильность, интенсифицируют процессы смолообразования, выпадения и отложения шлаков, шлама, осадков, что вызывает пассивацию поверхности катализаторов, а также усиливают коррозийную активность материала технологических аппаратов.
H2S значительно усиливает процесс проникновения водорода в сталь. Если при коррозии в кислых средах максимальная доля диффундирующего в сталь водорода составляет 4% от общего количества восстановленного водорода, то в сероводородсодержащих растворах эта величина достигает 40%.
Присутствие в газе кислорода значительно ускоряет процессы коррозии. Опытным путем было найдено, что наиболее коррозионным является такой газ, в котором отношение кислорода к сероводороду составляет 114:1. Это отношение называется критическим.
Наличие влаги в газе влечет коррозию металла, одновременное же присутствие H2S, O2 и H2O является наиболее неблагоприятным с точки зрения коррозии.
Коррозионные действия на металл указанных примесей резко возрастают при увеличении давления.
Скорость коррозии газопроводов прямо пропорциональна давлению газа, проходящего через этот газопровод. При давлении до 20 атм. и влажном газе достаточно даже следов сероводорода 0,002–0,0002% об., чтобы вызвать значительные коррозионные поражения металла труб, ограничивая срок службы газопровода 5–6 годами.
В промышленных условиях особенно большому коррозионному воздействию подвергаются трубы, задвижки, камеры сгорания и поршни силовых установок электростанций, счетчики газа, компрессоры, холодильники
Значительная часть сероводорода реагирует с металлом и может отложиться в виде продуктов коррозии на клапанах силовых установок, компрессоров, на внутренних стенках аппаратуры, коммуникаций и магистрального газопровода.
Повреждения от влажного сероводорода часто наблюдаются в оборудовании из углеродистой и низколегированной стали, находящемся на объектах по добыче углеводородов, таких как нефтегазовая, химическая и нефтехимическая промышленность. Объекты, находящиеся в водной кислой среде, в которой содержание H2S превышает 50 частей на миллион и температура ниже 82° C (180° F), особенно подвержены повреждению влажным H2S. Старые или «грязные» стали более склонны к повреждению мокрым H2S, поскольку они обычно имеют больше объемных включений, расслоений и первоначальных дефектов изготовления как в основном металле, так и в областях наплавок. Повреждения от влажного H2S чаще наблюдаются в корпусах сосудов под давлением, резервуарах или секциях компонентов трубопроводов, сваренных продольным швом, большего диаметра, чем в обычных бесшовных трубах, трубах или поковках.
В присутствии влаги H2S взаимодействует с металлом стенки, выделяя водород в поток масла. Водород диффундирует в сталь, объединяясь с образованием молекулярного водорода на разрывах. Со временем все больше и больше водорода попадает в ловушку, создавая давление, что приводит к напряжению в стали, приводящему к локальному разрушению. Вот некоторые из различных дефектов, которые можно наблюдать:
Типы повреждений от влажного H₂S
- Водородное растрескивание (HIC) — ламинарные трещины, ориентированные параллельно поверхностям, которые могут соединяться, образуя ступенчатое растрескивание
- Вздутия (Blistering) — локальные расслоения у поверхности, поднимающие материал с внутренней или внешней стороны
- Стресс-ориентированное водородное растрескивание (SOHIC) — массивы трещин, наложенные друг на друга, приводящие к сквозным трещинам вблизи зоны термического влияния сварных швов
Рис. 1: Различные типы повреждений, вызванных воздействием влажного H₂S
Когда дело доходит до методов неразрушающего контроля (НК), широко используется обычный ультразвуковой контроль (УЗК) с использованием датчиков нормальной падающей и поперечной волн. Однако трудно отличить расслоение/включения от повреждений в процессе эксплуатации. Это также трудоемкий и медленный процесс, который во многом зависит от оператора.
Инструменты быстрого скрининга повреждений H₂S
Дифракционно-временной метод (TOFD)
Дифракционно-временной метод (TOFD) — это быстрый метод контроля целых объемов. TOFD обнаруживает трещины, используя сигналы, дифрагированные от краев дефекта. Два наклонных продольных преобразователя (обычно с частотой от 2 до 10 МГц) используются в режиме передачи-приема с расходимостью луча, достаточной для контроля большей части толщины.
TOFD менее зависит от ориентации дефекта, обеспечивает цифровую запись контроля и довольно точен при определении размера стенки. В случае повреждения H2S TOFD в основном используется для быстрой проверки сварных швов на наличие HIC/SOHIC, но его также можно использовать для основного материала.
Рис. 2: Дефекты HIC и вздутия, обнаруженные в основном материале методом TOFD
Когда дело доходит до характеристики, TOFD может столкнуться с большими трудностями при повреждениях HIC/SOHIC, поскольку их кластерная природа приводит к множественным отражениям между различными гранями/слоями повреждения, что затрудняет интерпретацию сигналов TOFD.
Фазированная решетка (PAUT) для контроля повреждений H₂S
Ультразвуковой контроль с фазированной решеткой (PAUT) обеспечивает изображение контролируемой области в дополнение к традиционным А-сканам и, следовательно, позволяет более интуитивно интерпретировать результаты. Этот метод позволяет быстро охватить весь объем исследования за счет сочетания секторного сканирования или электронного линейного сканирования с механическим движением. И, конечно же, он обеспечивает постоянную запись данных для автономного просмотра и сравнения с предыдущими результатами.
Идея состоит в том, чтобы воспроизвести контроль, выполненный с помощью обычного УЗК, но с одним датчиком на высокой скорости. Ступенчатое растрескивание, связанное с HIC, обычно проверяется под углом SW 45°. В сочетании с 0° LW это обеспечивает комплексную стратегию контроля для локализации ламинарных вздутий и обнаружения ступенчатого растрескивания.
Группа 0° помогает обнаружить вздутия и расслоения, вызванные растрескиванием HIC. Группа поперечных волн помогает определить, начинают ли пластины соединяться, что приводит к постепенному растрескиванию. Это также может показать растрескивание, возникшее из-за волдырей. Если полагаться только на 0°, это может привести к ложным срабатываниям сигнализации из-за того, что дефекты ламинирования, возникшие в процессе изготовления, будут перепутаны со ступенчатым растрескиванием.
Eddyfi Technologies предлагает ряд стандартных датчиков PAUT, совместимых с контролем повреждений, вызванных влажным сероводородом. Все они совместимы с портативными системами PAUT Eddyfi: Mantis™, Gekko® и TOPAZ®.
Метод полной фокусировки (TFM) для контроля повреждений H₂S
Полный захват матрицы (FMC) и метод полной фокусировки (TFM)
Полный захват матрицы (FMC)/метод полной фокусировки (TFM) — это процесс, состоящий из двух этапов. Часть сбора данных, FMC, состоит из включения элементов один за другим и каждой записи данных на всех приемниках. Это приводит к большому разбросу луча, который становится более чувствительным к соединениям между пластинами.
Это особенно важно в контексте влажного H2S, где обе морфологии, HIC и образование пузырей, существенно различаются с точки зрения благоприятности для пересекающегося луча под углом 0 градусов.
TFM фокусирует акустическую энергию повсюду в пределах области интереса (ROI), определенной оператором, обеспечивая оптимальное пространственное разрешение вдоль активной плоскости. И Gekko, и TOPAZ также предлагают возможность визуализации плоской волны (PWI), которая, по сути, представляет собой секторное сканирование с использованием полной апертуры решетки (здесь 64 элемента) в сочетании с реконструкцией TFM. Преимущество заключается в повышении производительности и большей чувствительности, поскольку мы запускаем все элементы, а не по одному.
Рис. 3: Скан компонента с вздутиями и повреждениями HIC, полученный методом TFM
На следующем видео представлено сканирование, полученное с помощью TFM. Видны серьезные повреждения, но, что наиболее важно, TFM показывает, что пластины часто соединяются с задней стенкой посредством ступенчатого растрескивания, что очень вредно для актива.
TFM является естественным решением для контроля повреждений, вызванных H2S, благодаря дивергентному характеру его возбуждения и фокусирующей способности, которая помогает обнаруживать небольшие дефекты и связи между различными пластинками/вздутиями. Для одной группы и датчика из 64 элементов, такого как 5L64-A12-38.4X10-2,5-IPEX с призмой WSA12-0L-FLAT-20 мм, можно достичь скорости сканирования более 100 мм/с.
Сочетая инновационные устройства PAUT, такие как Gekko или TOPAZ64, с полуавтоматическими или полностью моторизованными (автоматическими) сканерами, можно добиться полного охвата компонента и всесторонне хранить все данные. Такой подход обеспечивает непрерывный мониторинг актива от начала до конца его срока службы.
Преимущества передовых методов контроля повреждений H₂S
- Высокая скорость сканирования с технологиями PAUT и TFM для быстрого обследования больших площадей
- Улучшенная чувствительность к мелким дефектам и соединениям между пластинами HIC
- Цифровая запись данных для последующего анализа и сравнения с предыдущими обследованиями
- Меньшая зависимость от оператора благодаря интуитивной визуализации результатов
- Возможность использования автоматизированных систем для полного покрытия сложных поверхностей
- Комплексное обнаружение всех типов повреждений: HIC, вздутий и SOHIC
- Повышенная безопасность за счет раннего выявления критических повреждений
- Сокращение времени простоя оборудования благодаря эффективным методам контроля
✓ Заключение
Контроль повреждений от влажного сероводорода представляет собой серьезную задачу для нефтегазовой, химической и нефтехимической промышленности. Традиционные методы УЗК имеют ограничения при дифференциации повреждений в процессе эксплуатации от производственных дефектов.
Передовые методы неразрушающего контроля, такие как PAUT, TOFD и особенно TFM, предлагают эффективные решения для обнаружения и характеристики повреждений HIC, вздутий и SOHIC. Эти технологии обеспечивают высокую скорость сканирования, улучшенную чувствительность и объективную цифровую запись результатов.
Использование современных портативных систем PAUT, таких как Gekko, TOPAZ и Mantis, в сочетании с автоматизированными сканерами позволяет осуществлять комплексный мониторинг активов на протяжении всего их жизненного цикла, обеспечивая безопасность и надежность эксплуатации.
Дополнительные материалы
Для получения дополнительной информации о методах контроля повреждений от влажного сероводорода и оборудовании Eddyfi Technologies, посетите наши ресурсы:
