硫化水素含有製品ハンドリング用遠心ポンプ材料

Jul 30, 2023

製品中に微量であっても硫化水素 (H2S) と水が存在すると、遠心ポンプの製造に使用される標準的な材料で硫化物応力亀裂 (SSC) や水素誘起亀裂 (HIC) が発生する可能性があります。

この亀裂は、コンポーネントの致命的な故障につながる可能性があります。 SSC および HIC を制御するための適切な材料の選択は、National Association of Corrosion Engineers (NACE) 規格 MR0103 および MR0175 で取り上げられています。 この記事では、H2S サービスにおけるポンプの接液コンポーネントの構築に使用する標準材料を確立します。 一般に、使用される材料は、選択された材料の硬度と強度を低下させる必要があります。

他のマテリアルも使用できる場合がありますが、リストされているマテリアルはすべての API 610 マテリアル クラスで機能します。 湿潤 H2S と乾燥 H2S の違いは水の存在であることに注意してください。

製品内に存在する可能性のある湿った H2S の量、および存在する量が NACE 規格に該当するかどうかを指定するのはユーザーの責任です。 低硬度および高強度の材料が指定されている場合、必要な材料は NACE MR0103 または NACE MR0175 に準拠します。

硬度を下げた材料が必要かどうかを指定するのは購入者の責任ですが、硫化物応力腐食割れに耐性のある材料を必要とする場合には、たとえ少量の H2S でも十分です。

硬度を下げた材料が必要かどうか疑問がある場合は、機器の故障の可能性を防ぐためのフェイルセーフとして使用する必要があります。

NACE MR0103 または MR0175 は、さまざまな操作に適用されます。 NACE MR0103 は、石油精製所、液化天然ガス (LNG) プラント、化学プラントに適用されます。 NACE MR0103 は、硫化物応力腐食割れが発生する可能性のある材料に適用されます。

NACE MR0175 は、石油およびガスの生産施設および天然ガス甘味料プラントで硫化物および塩化物の応力腐食割れが発生する可能性がある材料に適用されます。

NACE MR0103 または NACE MR0175 でカバーされない低硬度鉄材料は、降伏強度が 90,000 ポンド/平方インチ (psi) 以下であり、硬度がロックウェル C (HRC) 22 (ブリネル硬度番号 [BHN] 234) 以下である必要があります。 溶接によって製造されたコンポーネントは、溶接部と熱影響部の両方が降伏強度と硬度の要件を満たすように、必要に応じて溶接後に熱処理する必要があります。

少なくとも次のコンポーネントには低硬度材料を使用する必要があります。

ディフューザーやインナーケースアセンブリなど、圧縮状態にある二重ケーシングポンプのインナーケーシング部品は、圧力ケーシング部品とは見なされません。

軸方向に分割されたケーシング (API 610 BB1 および BB3 など) を備えたポンプのケーシングのボルト締めは、濡れているとはみなされません。

完全硬化された再生可能なインペラ摩耗リングの硬度は、HRC 22 (234 BHN) を超えてはなりません。 基材および移行ゾーンの硬度が HRC 22 (234 BHN) 以下の場合、ハードコートまたは表面硬化された再生可能なインペラ摩耗リングを使用できます。

インペラの一体摩耗面は、基材材料の硬度が HRC 22 (234 BHN) 以下の場合、再生可能なインペラ摩耗リングを設ける代わりに、表面硬化または適切なコーティングの塗布によって硬化することができます。 すべての材料グレードにおいて、機械加工性を向上させるために鉛や硫黄などの合金元素を含むバリエーションは許可されません。

鋳鉄は、API 材料クラス S-4 の摩耗部品として許容されます。 この材料の共通規格は、米国材料試験協会 (ASTM) A48 クラス 30 および CIAs 40 です。

ニッケルレジストウェアリングは API クラス S-5 および S-6 に使用できます。 Ni レジストを指定する場合は、静止摩耗部品には ASTM A436 タイプ 1、回転部品には ASTM A436 タイプ 2 を使用してください。 Ni レジスト部品は、差圧が 350 psi を超える場所では使用しないでください。

炭素鋼も使用できますが、RC22 (248 BHN) の硬度要件を満たす必要があり、溶接部がどれほど小さいかに関係なく、溶接後に応力除去が必要です。 標準の材料クラスは ASTM A216 Gr です。 WCB。 一般に、炭素鋼の棒材は、低硬度の要件によって強度が非常に低いレベルに低下し、ほとんどの用途には使用できないため、受け入れられません。 強度が重要ではない場合は、硬度と溶接後熱処理 (PWHT) の溶接要件を満たしていれば使用できます。

ASTM 479 タイプ 410 は、次の 3 段階の熱処理が施されている限り、最大硬度 RC22 (248 BHN) で許容されます。

ASTM A CA6NM は、材料が以下の手順に従って熱処理されている場合に限り、RC23 (255 BHN) で許容されます。

画像 1 に示す化学組成のオーステナイト系ステンレス鋼は、溶体化焼鈍して焼き入れした状態、または溶体化焼鈍して熱的に安定させた状態で最大 RC 22 (248 BHN) の硬度で許容されます。

機械的特性を向上させるための冷間加工は許可されていません。 多段ポンプの脈動水圧試験は、材料を安定させるために使用され、機械的特性を向上させるものではないため、許容されます。

ASTM A479 タイプ XM19 (ニトロニック 50) は、RC 35 (327 BHN) での溶体化焼鈍、熱間圧延 (熱間/冷間加工) または冷間加工条件で許容されます。

鍛造および鋳造された二相ステンレス鋼は、溶体化焼きなましおよび液体急冷の状態で許容されます。 許容硬度数は耐孔食性相当数（PREN）に関係します。 PREN 番号は、式 1 の式を使用して計算できます。

二相ステンレス鋼の場合、フェライト含有量は体積で 35% ～ 65% の間に制御する必要があります。 機械的特性を高めるための時効熱処理は、脆化相が形成されるため禁止されています。

Super Duplex、ASTM A890 グレード 5A は、NACE MR0103 と MR0175 の両方に許容される唯一の材料であるため、D-1 および D-2 グレードの両方に推奨されます。

標準デュプレックス、ASTM A890 グレード CD4MCuN は、NACE MR0103 が指定されている場合、D-1 アプリケーションに使用できます。 NACE MR0175 では受け入れられません。

ASTM A747 CB7Cu-1 条件 H1150M (17-4) は、RC 33 (327 BHN) の硬度で許容されます。 ユーザーは、材料が次の手順に従って熱処理されていることを確認する必要があります。

A. 材料は最大硬度 HRC 22 (234 BHN) を備えている必要があります。 鋳造または製造のために行われる溶接は、溶接がどれほど小さいかに関係なく、溶接後熱処理 (PWHT) する必要があります。 ベンダーの在庫鋳造品または製造品を使用する場合は、鋳造工場で軽度の溶接が行われ、その後熱処理されていない可能性があるため、使用前に PWHT する必要があります。

B. CA6NM 鋳物は、次の 3 段階の熱処理が施されている限り、HRC 23 (240 BHN) で許容されます。

1. 最低 1,850 F でオースチン窒化を行い、周囲温度まで空気または油で急冷します。

2. 1,200 ～ 1,275 F で焼き戻しし、周囲温度まで空冷します。

3. 1,100 ～ 1,150 F で焼き戻しし、周囲温度まで空冷します。

C. ニッケルレジストウェアリングは、ユーザーが承認する限り許容されます。 静止摩耗部品には ASTM A436 タイプ 1 を使用し、回転部品には ASTM A436 タイプ 2 を使用します。

D. 二相ステンレスの微細構造は重要な変数であり、文書化する必要があります。 フェライト含有量は体積比で 35% ～ 65% でなければなりません。 材料の耐孔食性数値 (PERN) が 40% を超える場合、硬度は最大 HRC 32 (318 BHN) に制限されます。

E. ASTM A564 タイプ 630 条件 H1150 (17-4 PH) は、以下の基準に従って熱処理した場合、RC33 (327 BHN) のニトロニック 50 の代替品として許容されます。

1. 1,038 C +/- 14 C (1,900 F +/- 25 F) で溶体化焼鈍し、32 C (90 F) 未満に空冷するか適切な液体急冷します。

2. 621 C +/- 14 C (1,150 F +/- 25 F) で最低 4 時間硬化し、空気中で 32 C (90 F) 以下に冷却します。

3. 621 C +/- 14 C (1,150 F +/- 25 F) で最低 4 時間硬化し、空冷します。

4. 許容可能な硬度レベルを生成するために必要な場合は、621 C +/- 14 C (1,150 F +/- 25 F) での追加サイクルを使用できます。

F. ASTM A890 グレード 5A は、D-1 グレードと D-2 グレードの両方に指定されています。この材料は、NACE MR0103 と MR0175 の両方に合格します。 標準二重、ASTM A890 グレード CD4MCuN は、NACE MR0103 が指定されている場合、D-1 アプリケーションに使用できます。 NACE MR0175 では受け入れられません。

G. ASTM A790 gr。 NACE (279 BHN) で要求される硬度の低下による強度の低下が設計に許容される場合は、S31803 を二相 (D1) に使用できます。

H. ASTM A240 gr. NACE (279 BHN) で要求される硬度の低下による強度の低下が設計に許容される場合は、S31803 を二相 (D1) に使用できます。

1. API 610、第 12 版

2. NACE MR0103、標準材料要件、腐食性石油精製環境における硫化物応力亀裂に対する耐性のある材料

3. NACE MR0175、標準材料要件、油田設備用の耐硫化物応力亀裂性金属材料

Charles Goodrich、PE は、PumpWorks, LLC のコンサルタントです。 彼はポンプ業界で 50 年以上の経験があります。 彼はルイジアナ工科大学で機械工学の学位を取得しており、登録されたプロのエンジニアです。 Goodrich へは、[email protected] までご連絡ください。 詳細については、www.pumpworks.com をご覧ください。