En un escalfador desalador per al tractament pre-de petroli cru (conté un 5% d'aigua de rentat de salmorra a 130 graus), com interacciona el gruix de la paret del tub de titani amb la presència de sulfur d'hidrogen per provocar esquerdes per tensió de sulfur a les soldadures?

Disseny de l'escalfador de titani per al servei de dessalació bruta - El compromís bàsic
Els dessaladors de cru injecten aigua de rentat (5% salmorra) al petroli cru a 130 C per eliminar la sal i les partícules. La salmorra comprèn clorurs i sulfur d'hidrogen (H 2 S) del petroli cru agre. La combinació-de salmorra bruta s'escalfa prèviament en tubs de titani. Els criteris per al cracking per tensió de sulfur (SSC) són la presència d'H 2 S, clorurs, augment de la temperatura i deformacions de tracció residuals a les juntes soldades. SSC és una mena de fragilitat d'hidrogen on l'hidrogen atòmic de la corrosió H2S es difon al titani per formar hidrurs trencadissos. El gruix de la paret afecta el nivell de tensió residual a les soldadures i el gradient de concentració d'hidrogen. Com més gruixuda sigui la paret, més tensions residuals de la soldadura (més restricció) i més llargues són les rutes de difusió - una interacció complexa.

Aquesta investigació descriu l'efecte del gruix de la paret sobre la susceptibilitat SSC a les juntes soldades en servei de dessalació.

Mecanisme SSC a les soldadures: impacte en la integritat mecànica
Titanium is progressively corroded in the presence of H₂S at 130°C: Ti + 2H_2S ->TiS_2 + 2H_2 L'hidrogen atòmic així produït pot penetrar a la xarxa de titani. Quan la concentració d'hidrogen s'aproxima a les 150-200 ppm en una àrea d'esforç de tracció, l'hidrur de titani (TiH2) precipita als límits del gra. L'hidrur és fràgil i es trencarà amb la tensió residual. Les juntes soldades són especialment vulnerables a això, ja que la soldadura produeix tensions de tracció residuals de 150-250 MPa a la zona afectada per la calor (HAZ). A més, la HAZ té una microestructura diferent, la martensita alfa-primera acicular, que absorbeix més fàcilment l'hidrogen que el metall base.

El gruix de la paret influeix en la tensió residual de la soldadura. Per a un diàmetre de tub en particular, una paret més gruixuda produeix una velocitat de refredament més alta després de la soldadura (a causa de la massa tèrmica més alta) que augmenta la tensió residual. L'estudi d'elements finits mostra que la tensió residual màxima a l'HAZ de soldadura d'un tub de 20 mm de DE és:

Paret 1,0 mm: 180 MPa

220 MPa per a paret d'1,5 mm

Paret de 2,0 mm: 260 MPa (a prop del rendiment)

Una tensió residual més alta disminueix la concentració crítica d'hidrogen per a l'esquerdament. Una paret d'1,0 mm pot suportar 200 ppm d'hidrogen abans de trencar-se, mentre que una paret de 2,0 mm només pot trencar-se a 120 ppm a causa de l'augment de la tensió.

Efecte de rendiment tèrmic: difusió i gradient de temperatura
La difusió d'hidrogen es veu afectada pel diferencial de calor a través de la paret. A una temperatura a granel de 130 graus, la temperatura de la superfície interior d'una paret d'1,0 mm és d'uns 133 graus per a 2,0 W/cm2 mentre que la d'una paret de 2,0 mm és de 136 graus. La diferència de 3 graus augmenta el coeficient de difusió de l'hidrogen en un ~ 15%, de manera que accelera marginalment l'entrada d'hidrogen per a la paret més gruixuda. Aquest efecte és secundari al diferencial de tensió residual.

Síntesi de l'intercanvi-desactivat: gruix de paret versus resistència SSC
Gruix de la paret (mm) Tensió residual de soldadura (MPa) Concentració d'H crític per esquerdes (ppm) Temps fins a H crític a HAZ (mesos a 10 ppm/mes d'absorció) Risc SSC
1,0 mm 180 MPa 200 ppm 20 mesos Moderat
1,2 mm 195 MPa 180 ppm 18 mesos Mitjà
1,5 mm 220 MPa 150 ppm 15 mesos. Alt 1,8 mm 245 MPa 130 ppm 13 mesos Alt 2,0 mm 260 MPa 120 ppm 12 mesos Alt (no dura 1 any)
Les parets més amples solen ser més vulnerables a la SSC perquè són més vulnerables a les tensions residuals de soldadura que redueixen la concentració d'hidrogen necessària per trencar-se. Una paret d'1,0 mm té una resistència més forta a SSC que una paret de 2,0 mm.

Alleujament de l'estrès de soldadura i millora d'aliatges: enginyeria més enllà de la tanca
Com que el problema és la tensió residual més gran, s'utilitza el recuit d'alleujament de tensió (540 graus durant 1 hora) per reduir l'estrès residual de la soldadura en un 70-80% independentment del gruix de la paret. Una paret de 2,0 mm que està alleujada té una tensió residual de 50-70 MPa i és molt resistent a SSC. Tanmateix, a causa de les limitacions de mida, molts escalfadors de dessalinització no es poden recuit. Per als calefactors soldats, es recomanen parets més primes (1,0-1,2 mm) per reduir la tensió residual. L'actualització del titani (Ti-0,3% Mo-0,8% Ni) del grau 2 al grau 12 millora la resistència SSC perquè el molibdè estabilitza la pel·lícula passiva i disminueix l'absorció d'hidrogen. Un tub soldat de grau 12 amb paret d'1,5 mm i sense recuit té una resistència SCC similar a un tub de grau 2 amb paret d'1,0 mm.

Conclusió: es prefereix una paret més fina (1,0 a 1,2 mm) per a la resistència SSC en servei de dessalació.
La relació entre el gruix de la paret dels tubs de titani en un escalfador de dessalació de pretractament de petroli cru que utilitza un 5% d'aigua de rentat de salmorra que conté H2S a 130 graus i l'esquerda per tensió de sulfur a les soldadures és contraintuïtiva: les parets més gruixudes augmenten la susceptibilitat a SSC, perquè la soldadura produeix tensions residuals més altes que redueixen la concentració crítica d'hidrogen. El risc de SSC era menor per a una paret d'1,0 mm amb una tensió residual de 180 MPa que per a una paret de 2,0 mm amb una tensió residual de 260 MPa que va fallar en 12 mesos. L'estàndard recomanat és un tub de titani de grau 2, un gruix de paret d'1,0 a 1,2 mm,-soldat (sense recuit) amb decapat posterior-de soldadura per eliminar els contaminants de la superfície. Eviteu l'ús de parets més gruixudes tret que es realitzi un recuit d'alleujament de tensió posterior a la soldadura. Per als escalfadors de servei de dessalinització de cru agre, demaneu la mesura de la tensió residual de soldadura (<200 MPa) or specify Grade 12 titanium for higher inherent SSC resistance. Wall thickness isn't a safety margin SSC-thinner is better.