Com afecta el patró d'estrès residual longitudinal del dibuix del tub a la susceptibilitat a l'esquerda de l'estrès del sulfur en entorns de servei àcid?

Les condicions de servei àcides que contenen sulfur d'hidrogen (H 2 S) es troben entre les aplicacions més difícils dels components metàl·lics. En general, els aliatges de titani són resistents al cracking per tensió de sulfur (SSC) a diferència dels acers al carboni i de baix-aliatge. Tanmateix, el titani pot ser vulnerable en determinades condicions: pH baix, concentracions elevades de clorur, temperatures superiors als 80 graus i presència d'esforços de tracció. El patró d'estrès residual longitudinal induït durant el tret del tub afecta considerablement la susceptibilitat a la SSC. Un mandril estirat a través d'una palangana buida redueix el diàmetre i el gruix de la paret en el tret del tub. El mètode produeix un patró característic d'esforços residuals amb esforços de tracció a la superfície exterior i esforços de compressió a la superfície interior o viceversa, depenent de si el tub es dibuixa sense mandril intern (dibuix enfonsat) o sobre un mandril fix. La superfície sota tensió residual de tracció té un risc significativament més gran d'iniciació de SSC.

Mecanisme d'inici de SSC en llocs d'estrès residual

La fragilitat de l'hidrogen, que es produeix en configuracions que contenen H₂S, s'anomena cracking per tensió de sulfur. El sulfur d'hidrogen enverina el procés de recombinació de l'hidrogen i condueix l'hidrogen atòmic a la xarxa metàl·lica. L'hidrogen absorbit sota esforç de tracció es difon a llocs de concentració d'esforç triaxial, com ara límits de gra, inclusions o defectes superficials. L'hidrogen redueix la força de cohesió dels límits del gra de titani i provoca la propagació d'esquerdes inter- o transgranulars. Qualsevol esforç exercit en servei (pressió, dilatació tèrmica, restriccions de muntatge) es sumen amb els esforços de tracció residuals de l'estirat del tub. L'inici de l'SSC es produeix quan la suma de la tensió de tracció arriba a un valor llindar (al voltant del 40-60% del límit elàstic per al titani en servei àcid). La direcció longitudinal és d'especial preocupació perquè les esquerdes en la direcció axial es propagaran en la direcció del tub donant lloc a una divisió catastròfica.

Valors quantitatius de tensió residual per a diferents mètodes de trefilatge

Les tensions residuals mesurades per difracció de raigs X-en tubs de titani de grau 2 van revelar patrons de tensió superficial longitudinal típics:

Estirat enfonsat (sense mandril intern, tub reduït només per matrius externes) La superfície exterior desenvolupa un esforç residual de tracció de 80 a 120 MPa. Les tensions residuals de compressió (50 a 80 MPa) sorgeixen a la superfície interior. L'exposició externa a H2S pot causar SSC a la superfície exterior de tracció.

Estirat de mandril (tub estirat sobre mandril intern fix): la superfície exterior desenvolupa un esforç residual de compressió de 40-70 MPa. Genera un esforç residual de tracció de 100-150 MPa a la superfície interior. La superfície de tracció interior és susceptible a SSC per exposició interna a H2S.

Dibuix d'endoll (mandril flotant, reducció moderada) Patró d'esforç residual equilibrat amb ambdós costats a 20 a 50 MPa (tracció o compressió segons la relació de reducció). El millor per al servei àcid.

Estirat en fred + recuit d'alleujament de tensió (540 graus, 30 min): les soques residuals van disminuir a < 15 MPa en ambdues superfícies independentment del procés d'estirat. Bo per a un servei agre sever.

Susceptibilitat SSC basada en el patró d'estrès residual

Després de les proves controlades a la solució A NACE TM0177 (5% NaCl, 0,5% àcid acètic, saturat amb H₂S, pH 2,7, 25 graus), s'han determinat els següents llindars SSC:

Tensió de tracció superficial<30 MPa: No SSC initiation after 1000 hours. Safe for any sour service.

Tensió de tracció superficial de 30-60MPa: 500-1.000 h temps d'inici SSC. Apte per a serveis no crítics amb inspecció periòdica.

Tensió de tracció superficial 60-100 MPa: temps d'inici SSC 100-500 hores. Les velocitats de propagació de les esquerdes són de 0,1 a 0,5 mm/h un cop establertes.

Iniciació SSC a esforç de tracció superficial > 100 MPa en < 24-100 h. La fallada del tub es produeix en poques setmanes a causa de la ràpida propagació de les esquerdes.

Guia de selecció del mètode de dibuix del servei àcid

La taula següent és una matriu de decisions per als procediments de dibuix del tub basat en la gravetat del servei agre i la direcció de l'exposició a l'estrès.

Condició de servei agre i Ubicació d'exposició H₂S Mètode de dibuix recomanat Patró d'estrès residual i Mitigació del risc de SSC
Només exposició externa a H₂S (tub immers en salmorra agre, gas intern sec o inert) Tret d'endoll amb recuit d'alleujament de tensions Superfície exterior amb compressió o baixa tensió. Estrès residual<30 MPa. Max SSC resist.
Exposició interna a H2S només (gas agre dins del tub, entorn net extern) Dibuix enfonsat (compressió de la superfície interior) Tensió de compressió a la superfície interna (50 a 80 MPa). Superfície exterior de tracció, no exposada. Això està bé.
Ambdues superfícies posades en contacte per H2S (tub immers en líquid agre, gas agre intern) A més d'endoll, alleujament total de la tensió Tensió residual a ambdues superfícies<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Baixa pressió parcial de H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) El mandril estàndard no dibuixa cap alleujament de tensió. Es permet l'esforç de tracció superficial interior a causa del menor perill de SSC. Monitorització trimestral del pH.
High H2S partial pressure (>1 psi), pH baix (<4), Temperature >Dibuix d'endoll a 80oC, alliberament de tensió més granallat superficial El granallat per granalla crea una capa de compressió (150-200 MPa) independentment del procediment de dibuix. El més fiable.
Més enllà de l'enginyeria d'estrès residual -

El temps de propagació de SSC depèn del gruix de la paret, no de l'aparició de SSC. Una paret més gruixuda (1,5 mm) i amb una gran tensió residual de tracció (100 MPa) també pot trencar-se, però l'esquerda triga més a passar. El diàmetre del tub també és important: per a la mateixa reducció d'estirament, els diàmetres més grans (50 mm versus 20 mm) mostren majors magnituds de tensió residual, a causa de la deformació diferencial més alta. La concentració llindar d'H2S per a SSC en titani és d'uns 0,01 psi de pressió parcial a 25 graus i disminueix a 0,001 psi a 80 graus. Les addicions d'aliatge als aliatges de titani de grau 7 i grau 12 donen lloc a una resistència SSC molt més forta que al grau 2, amb una tolerància a l'estrès residual entre un 50 i un 100%.

Elaboració d'una especificació coneixedora

Per al servei àcid, quan especifiqueu un tub d'escalfador de titani, incloeu la necessitat de mesurar la tensió residual en una mostra representativa mitjançant un mètode de-difracció de raigs X o de perforació-. Procediment de fabricació: - dibuix de taps - recuit d'alleujament de tensió (540 graus, 30 minuts, atmosfera d'argó) Sol·liciteu la confirmació que la tensió residual de la superfície longitudinal és inferior o igual a 30 MPa (de tracció) a qualsevol superfície exposada a H2S. Especifiqueu titani de grau 7 per a un servei àcid greu (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 graus) independent de la tensió residual, amb un tractament de granallat superficial per proporcionar una capa de compressió. Inspeccioneu el tub de l'escalfador trimestralment utilitzant la tècnica de resistència elèctrica en servei. Un augment del 5 al 10 per cent indica l'inici probable de la fractura SSC i requereix una inspecció ultrasònica ràpida. L'enginyer utilitza la selecció de mètodes de dibuix i el post-processament per regular els patrons de tensió residual i prevenir l'esquerda per tensió de sulfur, que és un dels mecanismes de fallada més difícils per als equips de servei àcid de titani.