Corrosietesten voor de olie- en gasindustrie

Corrosietesten voor de olie‐ en gasindustrie CORROSIE KOST DE OFFSHORE‐INDUSTRIE JAARLIJKS VEEL GELD. VAAK GAAT HET DAARBIJ OM SCHADE OP MOEILIJK BEREIKBARE PLAATSEN. CORROSIEBEPROEVING OP MATERIALEN EN PROEFLASSEN KAN VEEL ELLENDE VOORKOMEN. DIT ARTIKEL BEPERKT ZICH TOT DIE VORMEN VAN CORROSIE IN CONSTRUCTIESTAAL DIE MET ZWAVELWATERSTOF (H2S) TE MAKEN HEBBEN. door Jan Rademaker en Geri van Krieken Door de nog steeds toenemende vraag naar olie en gas worden tegenwoordig bronnen in exploitatie genomen die voorheen vanuit economisch oogpunt minder interessant waren. Een van de vervelende bijproducten van de olie‐ en gaswinning is zwavelwaterstof (H2S). We spreken dan van een ‘sour service’ omgeving. Naast algemene corrosie, een vervelend, maar meestal beheersbaar fenomeen, kan H2S aanleiding geven tot scheurvormende corrosie. Een gemeenschappelijk kenmerk hiervan is dat het te maken heeft met de opname van waterstof in het metaal. In opdracht van de olie‐ en gasindustrie worden uitgebreide corrosiebeproevingen uitgevoerd aan basismaterialen en proeflassen. Dit is van essentieel belang om de kwaliteit en een lange levensduur van offshore‐constructies te kunnen garanderen. Dit artikel geeft inzicht in de uitvoering van een aantal corrosietesten. Trap sites Bij corrosie in een zuur milieu wordt er waterstofgas gevormd. Dit gebeurt in twee stappen. In de eerste stap ontstaat atomaire waterstof (H); vervolgens recombineren twee H‐atomen tot een waterstofmolecuul (H2). Er wordt waterstofgas gevormd, dat in het gunstigste geval als gasbelletjes verdwijnt. Waterstofatomen kunnen gemakkelijk het staal in diffunderen en daar schade aanrichten. De hoeveelheid aanwezige H‐atomen is dus belangrijk voor de kans op schade. Wanneer de recombinatiereactie (2H ↔ H2) snel verloopt, is de kans op problemen gering. Er zijn echter stoffen die de recombinatiereactie ernstig vertragen. Een daarvan is het sulfide‐ion S2‐. H‐atomen bewegen zich gemakkelijk door het metaalrooster. Hun bewegingssnelheid is afhankelijk van de temperatuur: hoe hoger de temperatuur, hoe sneller ze zich kunnen bewegen. Wanneer ze soortgenoten tegenkomen kan er waterstofgas worden gevormd. Dit past niet meer in het metaalrooster, met als gevolg dat hoge interne spanningen kunnen ontstaan. Dit proces speelt zich af op zogenaamde ‘trap sites': plaatsen waar de H‐atomen zich verzamelen en waar ze niet meer zo gemakkelijk vandaan komen. Denk hierbij aan langgerekte sulfidebanen, niet‐metallische insluitsels enzovoort. Op deze plaatsen kunnen scheurtjes ontstaan door de recombinatie van H‐atomen tot H2 en de daardoor veroorzaakte hoge inwendige spanningen. Dit fenomeen wordt HIC genoemd, Hydrogen Induced Cracking. Een andere benaming voor HIC is SWC, Stepwise Cracking. De scheurtjes verlopen in de richting van de banenstructuur van het materiaal. HIC‐test De belangrijkste factor voor het ontstaan van HIC is de aanwezigheid van de trap sites. HIC‐bestendig materiaal wordt op een speciale manier vervaardigd om de hoeveelheid en vorm van insluitsels te beheersen. Koolstofstaal is bij omgevingstemperatuur het meest gevoelig voor HIC. Bij hogere temperaturen laten de diffunderende H‐atomen zich minder makkelijk ‘vangen’ in de trap sites. Om te onderzoeken of een materiaal gevoelig is voor HIC kan een beproeving worden uitgevoerd volgens de norm NACE TM0284. Het materiaal voor de beproevingen wordt vaak gegloeid (PWHT, Post Weld Heat Treatment). Dit verbetert de bestendigheid tegen HIC en brengt het materiaal in de toestand waarin het uiteindelijk ook gebruikt gaat worden. De beproeving bestaat uit een expositiefase gevolgd door een microscopische evaluatie. Geschuurde en grondig ontvette proefstaven (drie per test) worden gedurende 96 uur blootgesteld aan een zuurstofvrije testvloeistof, verzadigd met 1 bar H2S. De testvloeistof bestaat uit een aangezuurde zoutoplossing of kunstmatig zeewater, zuurstofvrij gemaakt door te spoelen met stikstofgas (N2). De afmetingen van de proefstaven zijn meestal 100 x 20 x t mm. Voor onderdelen waar deze afmetingen niet uitgehaald kunnen worden geeft de norm richtlijnen. Na de expositiefase wordt bekeken in hoeverre de proefstukken ‘blistering’ vertonen, dat wil zeggen blaasvorming op het oppervlak als gevolg van H2‐vorming. Vervolgens worden per teststaaf drie doorsneden vervaardigd en geprepareerd voor microscopisch onderzoek. In totaal worden er negen doorsneden gemaakt voor een HIC‐test. De doorsneden worden bij een vergroting van 100 x gescand op de aanwezigheid van scheurtjes. De afmetingen van de scheurtjes (lengte en breedte) worden bepaald volgens de richtlijnen gegeven in de norm. Deze gegevens worden verwerkt tot een drietal parameters: CLR (Crack Length Ratio), CTR (Crack Thickness Ratio) en CSR (Crack Sensitivity Ratio). De waarden van deze parameters zijn bepalend voor goed‐ of afkeur. De NACE TM0284 is de basisnorm. Soms worden door de opdrachtgever aanvullende eisen gesteld, zoals een ultrasoon onderzoek van de geëxposeerde staven, ter bepaling van de locaties met scheurvorming. Het microscopisch onderzoek dient dan op deze locaties plaats te vinden en niet, zoals beschreven in de norm, op van tevoren bepaalde plaatsen. Variant: SOHIC Een variant van HIC is SOHIC (Stress Oriented Hydrogen Induced Cracking). Hierbij spelen mechanische spanningen een rol. Naast de eerder genoemde trap sites kunnen H‐atomen zich ook verzamelen op plaatsen met een drie‐assige spanningstoestand in het materiaal; hier is immers het metaalrooster maximaal opgerekt en is er wat ruimte. Op de korrelgrenzen is deze ruimte maximaal en kunnen er interkristallijne waterstofscheuren ontstaan. Bij het beproeven van een materiaal op gevoeligheid voor SOHIC wordt een proefstaaf onder spanning geëxposeerd. De schade die daardoor kan ontstaan is, door de richting van de scheuren loodrecht op de plaatrichting, veel bedreigender voor de integriteit van een installatie dan zuivere HIC‐scheuren. Een SOHIC‐test wordt uitgevoerd volgens de norm NACE TM0103. Hierbij worden twee proefstaven, voorzien van een spanningsconcentratie in de vorm van een gedefinieerde sleuf (vonkverspaand) samen in een vierpuntsbuigopstelling onder spanning gezet. Het geheel wordt geëxposeerd in de voorgeschreven testvloeistof die verzadigd is met H2S. Na expositie wordt onderzocht of SOHIC‐scheurvorming heeft plaatsgevonden. De mate van scheuruitbreiding vanaf de spanningsconcentratie wordt als goed‐/afkeurcriterium gebruikt. Sulphide Stress Cracking Bij SSC (Sulphide Stress Cracking) ontstaan scheuren onder invloed van mechanische spanningen en een sulfidenbevattend milieu. De scheuren staan loodrecht op de aangelegde trekspanningen. Materialen met hoge sterkte zijn gevoelig voor dit soort scheurvorming. Het aloude gezegde ‘buigen of barsten’ is hier van toepassing. Het lassen aan deze materialen kan de voorwaarden scheppen voor het optreden van SSC. Door krimp kunnen inwendige spanningen ontstaan en door vorming van harde zones ontstaat lokaal materiaal dat gevoelig is voor SSC. Bij lassen aan materiaal voor ‘sour service’‐toepassingen worden dan ook eisen gesteld aan de maximale hardheid (vaak 22 HRC). Voor het testen van de gevoeligheid voor SSC wordt de NACE TM0177 gevolgd, vaak in combinatie met de EFC16. In de NACE TM0177 wordt een aantal proefstukvormen en belastingmethoden beschreven om de test uit te voeren. Methode A bijvoorbeeld betreft een trekproef; de belasting op de in een testcel geplaatste trekstaaf wordt aangebracht met een dood gewicht of met een veer (proofing ring). De proofing ring heeft als voordeel dat de opstelling relatief eenvoudig is; nadeel is dat de belasting afneemt als het materiaal scheurt en de trekstaaf dus iets langer wordt. Een andere veelgebruikte testmethode is de vierpuntsbuigproef, zoals beschreven in EFC16. De grootte van de belasting wordt bepaald door de doorbuiging van de staaf te meten of door rekstroken aan te brengen. De hoogte van de aan te brengen belasting is meestal een bepaald percentage van de gespecificeerde minimale vloeigrens (SMYS, Specified Minimum Yield Strength) of van de werkelijke vloeigrens (AYS, Actual Yield Strength). In het laatste geval moet de werkelijke vloeigrens worden bepaald met trekproeven. Nadat de trekstaaf of de vierpuntsbuigstaaf op spanning gebracht is wordt deze in de testvloeistof geplaatst, meestal een aangezuurde zoutoplossing. Nadat alle zuurstof uit de oplossing is gehaald (door spoelen met N2) wordt het testgas door de testoplossing geleid. Dit kan weer 1 bar H2S zijn, of een mengsel van H2S en CO2 of N2. De expositiefase voor SSC‐testen is behoorlijk lang: 720 uur (30 dagen) is de gebruikelijke testperiode. Na de expositiefase worden de staven onderzocht op scheurvorming met behulp van visueel en magnetisch onderzoek. Afhankelijk van de eisen van de klant en de bevindingen worden doorsneden vervaardigd voor microscopisch onderzoek. Bij MPI‐indicaties (Magnetic Particle Inspection) wordt een doorsnede dwars over de indicatie gemaakt. Zijn er geen MPI‐indicaties, dan worden twee doorsneden gemaakt (meestal op 5 en 10 mm van de rand van de 15 mm brede proefstaven). Testen van proeflassen Wanneer lassen getest worden, kunnen proefstaven worden gebruikt waarbij de root van de las nog intact is, of staven waarbij de root verwijderd is. In het laatste geval, waarbij de aandacht vooral uitgaat naar de bestendigheid van het lasmetaal en de HAZ (Heat Affected Zone) tegen SSC, wordt aanbevolen om foutvrije proefstaven te gebruiken. Aanwezigheid van lasdefecten (spanningsconcentraties) kan aanleiding geven tot scheurvorming. Bij gebruik van proefstaven waarbij de root nog intact is, is het aanbrengen van een goed gedefinieerde spanning moeilijk, vanwege de onregelmatige geometrie. In deze gevallen wordt het gebruik van rekstroken aan weerszijden van de las aanbevolen. Nadat de staaf op spanning is gebracht worden deze rekstroken zorgvuldig verwijderd. De beschreven SSC‐testen zijn meestal gebaseerd op standaardnormen. Specifieke klanteisen kunnen echter van grote invloed zijn op de uitvoering van de test. Het gebruik van speciale gasmengsels kan de toch al lange doorlooptijd van een SCC‐test nog verder vergroten. Zeker bij dit soort testen is het tijdig starten van de benodigde beproevingen van groot belang.