Matériaux de pompe centrifuge pour la manipulation de produits contenant du sulfure d'hydrogène

Jul 30, 2023

La présence de sulfure d'hydrogène (H2S), même à l'état de traces, et d'eau dans un produit peut entraîner une fissuration sous contrainte de sulfure (SSC) et une fissuration induite par l'hydrogène (HIC) dans les matériaux standard utilisés dans la production de pompes centrifuges.

Cette fissuration peut entraîner une défaillance catastrophique du composant. La sélection appropriée des matériaux pour contrôler le SSC et le HIC est abordée dans les normes MR0103 et MR0175 de la National Association of Corrosion Engineers (NACE). Cet article établit les matériaux standard à utiliser dans la construction de composants mouillés pour les pompes en service H2S. En général, les matériaux utilisés nécessitent une dureté et une résistance réduites du matériau sélectionné.

Bien que d'autres matériaux puissent être acceptables, ceux répertoriés fonctionneront pour toutes les classes de matériaux API 610. Notez que la différence entre le H2S humide et sec est la présence d'eau.

Il est de la responsabilité de l'utilisateur de spécifier la quantité de H2S humide qui peut être présente dans le produit et si la quantité présente invoque la norme NACE. Si un matériau de dureté et de résistance réduites est spécifié, le matériau requis sera conforme à NACE MR0103 ou NACE MR0175.

Bien qu'il soit de la responsabilité de l'acheteur de spécifier si des matériaux de dureté réduite sont requis, même de petites quantités de H2S sont suffisantes pour exiger des matériaux résistants à la fissuration par corrosion sous contrainte du sulfure.

Si l'on se demande si des matériaux de dureté réduite sont nécessaires, ils doivent être utilisés comme sécurité intégrée pour éviter une éventuelle défaillance de l'équipement.

NACE MR0103 ou MR0175 s'appliquent à différentes opérations. NACE MR0103 s'applique aux raffineries de pétrole, aux usines de gaz naturel liquéfié (GNL) et aux usines chimiques. NACE MR0103 s'applique aux matériaux potentiellement sujets à la fissuration par corrosion sous contrainte des sulfures.

NACE MR0175 s'applique aux matériaux potentiellement sujets à la fissuration par corrosion sous contrainte de sulfure et de chlorure dans les installations de production de pétrole et de gaz et les usines d'adoucissement du gaz naturel.

Les matériaux ferreux à dureté réduite non couverts par NACE MR0103 ou NACE MR0175 doivent avoir une limite d'élasticité ne dépassant pas 90 000 livres par pouce carré (psi) et une dureté ne dépassant pas la dureté Rockwell C (HRC) 22 (234 Brinell Hardness Number [BHN]). Les composants fabriqués par soudage doivent subir un traitement thermique après soudage, si nécessaire, afin que les soudures et les zones affectées par la chaleur répondent aux exigences de limite d'élasticité et de dureté.

Des matériaux de dureté réduite doivent être fournis pour les composants suivants, au minimum :

Les pièces du carter interne de la pompe à double carter qui sont en compression, telles que les diffuseurs et les ensembles de carter interne, ne sont pas considérées comme des pièces du carter sous pression.

La boulonnerie de carter pour les pompes à carter divisé axialement (telles que API 610 BB1 et BB3) n'est pas considérée comme étant mouillée.

Les bagues d'usure de roue renouvelables qui sont trempées à cœur ne doivent pas avoir une dureté supérieure à 22 HRC (234 BHN). Des bagues d'usure de turbine renouvelables à revêtement dur ou à surface durcie peuvent être utilisées si la dureté du substrat et des zones de transition n'est pas supérieure à HRC 22 (234 BHN).

Les surfaces d'usure intégrales des roues peuvent être durcies en surface ou durcies par l'application d'un revêtement approprié au lieu de fournir des bagues d'usure de roue renouvelables si la dureté de leur matériau de substrat n'est pas supérieure à HRC 22 (234 BHN). Dans toutes les nuances de matériaux, les variantes contenant des éléments d'alliage tels que le plomb ou le soufre pour améliorer l'usinabilité ne sont pas autorisées.

La fonte est acceptable pour les pièces d'usure pour la classe de matériaux API S-4. La norme commune pour ce matériau est l'American Society for Testing and Materials (ASTM) A48 Classe 30 et CIass 40.

Les bagues d'usure Ni-resist peuvent être utilisées pour les classes API S-5 et S-6. Lorsque la résistance Ni est spécifiée, utilisez la norme ASTM A436 Type 1 pour les pièces d'usure fixes et la norme ASTM A436 Type 2 pour les pièces rotatives. Les pièces en Ni-resist ne doivent pas être utilisées lorsque la pression différentielle est supérieure à 350 psi.

L'acier au carbone est acceptable mais doit répondre à l'exigence de dureté RC22 (248 BHN) et nécessite une détente après le soudage, quelle que soit la taille de la soudure. La classe de matériau standard est ASTM A216 Gr. CAT. En règle générale, les barres d'acier au carbone ne sont pas acceptables car l'exigence de faible dureté réduit la résistance à un niveau si bas qu'elle ne fonctionnera pas pour la plupart des applications. Dans les cas où la résistance n'est pas importante, il peut être utilisé tant qu'il répond aux exigences de dureté et de traitement thermique post-soudure (PWHT).

ASTM 479 type 410 est acceptable à une dureté maximale RC22 (248 BHN) à condition qu'il ait ce traitement thermique en trois étapes :

ASTM A CA6NM est acceptable à RC23 (255 BHN) à condition que le matériau ait été traité thermiquement conformément aux étapes ci-dessous :

L'acier inoxydable austénitique avec la composition chimique illustrée à l'image 1 est acceptable à une dureté maximale de RC 22 (248 BHN) dans l'état recuit de mise en solution et trempé ou recuit de mise en solution et stabilisé thermiquement.

Le travail à froid pour améliorer les propriétés mécaniques n'est pas autorisé. L'essai hydraulique pulsé pour les pompes à plusieurs étages est acceptable car il est utilisé pour stabiliser le matériau et n'améliore pas les propriétés mécaniques.

ASTM A479 type XM19 (Nitronic 50) est acceptable dans l'état recuit de mise en solution, laminé à chaud (travaillé à chaud/froid) ou travaillé à froid à RC 35 (327 BHN).

L'acier inoxydable duplex forgé et coulé est acceptable à l'état recuit en solution et trempé liquide. Le nombre de dureté admissible est lié au nombre équivalent de résistance aux piqûres (PREN). Le nombre PREN peut être calculé en utilisant la formule de l'équation 1.

Pour les aciers inoxydables duplex, la teneur en ferrite doit être maîtrisée entre 35% et 65% en volume. Les traitements thermiques de vieillissement pour augmenter les propriétés mécaniques sont interdits en raison de la formation de phases fragilisantes.

Super Duplex, ASTM A890 grade 5A est conseillé pour les grades D-1 et D-2 car c'est le seul matériau acceptable à la fois pour NACE MR0103 et MR0175.

Le CD4MCuN duplex standard, ASTM A890 grade est acceptable pour les applications D-1 lorsque NACE MR0103 est spécifié. Il n'est pas acceptable pour NACE MR0175.

ASTM A747 CB7Cu-1 Condition H1150M (17-4) est acceptable à une dureté de RC 33 (327 BHN). Les utilisateurs doivent s'assurer que le matériau est traité thermiquement selon la procédure suivante :

A. Le matériau doit être fourni avec une dureté maximale de 22 HRC (234 BHN). Toute soudure effectuée sur le moulage ou pour la fabrication doit être traitée thermiquement après soudure (PWHT), quelle que soit la gravité de la soudure. Si le moulage ou la fabrication de stock d'un fournisseur est utilisé, il doit être PWHT avant utilisation en raison de la possibilité que des soudures mineures aient été effectuées à la fonderie et non traitées thermiquement par la suite.

B. Les moulages CA6NM sont acceptables à HRC 23 (240 BHN) à condition qu'ils soient traités thermiquement en trois étapes comme suit :

1. Austinitize à 1 850 F minimum et trempe à l'air ou à l'huile à température ambiante

2. Tempérer à 1 200 à 1 275 F et refroidir à l'air à température ambiante

3. Tempérer à 1 100 à 1 150 F et refroidir à l'air à température ambiante

C. Les bagues d'usure Ni-resist sont acceptables tant que l'utilisateur l'approuve. Utilisez ASTM A436 Type 1 pour les pièces d'usure fixes et ASTM A436 Type 2 pour les pièces rotatives.

D. La microstructure de l'inox duplex est une variable critique et doit être documentée. La teneur en ferrite doit être comprise entre 35 % et 65 % en volume. Si l'indice de résistance aux piqûres (PERN) est supérieur à 40 % pour le matériau, la dureté est limitée à HRC 32 (318 BHN) maximum.

E. ASTM A564 Type 630 condition H1150 (17-4 PH) est un substitut acceptable pour Nitronic 50 à RC33 (327 BHN) lorsqu'il est traité thermiquement selon les critères suivants :

1. Recuit de solution à 1 038 C +/- 14 C (1 900 F +/- 25 F) et refroidissement à l'air ou trempe liquide appropriée à moins de 32 C (90 F)

2. Durcir à 621 C +/- 14 C (1 150 F +/- 25 F) pendant quatre heures minimum à température et refroidir à l'air en dessous de 32 C (90 F)

3. Durcir à 621 C +/- 14 C (1 150 F +/- 25 F pendant quatre heures minimum à température et refroidir à l'air

4. Des cycles supplémentaires à 621 C +/- 14 C (1 150 F +/- 25 F) peuvent être utilisés si nécessaire pour produire un niveau de dureté acceptable

F. ASTM A890 grade 5A est spécifié pour les grades D-1 et D-2 Ce matériau est acceptable à la fois pour NACE MR0103 et MR0175. Le CD4MCuN duplex standard, ASTM A890 grade est acceptable pour les applications D-1 lorsque NACE MR0103 est spécifié. Il n'est pas acceptable pour NACE MR0175.

G. ASTM A790 gr. S31803 peut être utilisé pour le duplex (D1) si la résistance réduite résultant de la dureté réduite requise par NACE (279 BHN) est acceptable pour la conception.

H. ASTM A240 gr. S31803 peut être utilisé pour le duplex (D1) si la résistance réduite résultant de la dureté réduite requise par NACE (279 BHN) est acceptable pour la conception.

1. API 610, 12e édition

2. NACE MR0103, Exigences matérielles standard, Matériaux résistants à la fissuration sous contrainte sulfurée dans les environnements corrosifs de raffinage du pétrole

3. NACE MR0175, Exigences matérielles standard, Matériaux métalliques résistants à la fissuration sous contrainte de sulfure pour l'équipement des champs pétrolifères

Charles Goodrich, PE est consultant pour PumpWorks, LLC. Il a plus de 50 ans d'expérience dans l'industrie des pompes. Il est titulaire d'un diplôme en génie mécanique de la Louisiana Tech University et est un ingénieur professionnel agréé. Goodrich peut être contacté à [email protected]. Pour plus d'informations, visitez www.pumpworks.com.