Jak ovlivní vzor podélného zbytkového napětí z tažení trubek náchylnost k praskání sulfidovým napětím v kyselých provozních prostředích?

Kyselé provozní podmínky obsahující sirovodík (H 2 S) patří mezi nejnáročnější aplikace pro kovové součásti. Obecně platí, že slitiny titanu jsou na rozdíl od uhlíkových a -nízkolegovaných ocelí odolné vůči sulfidovému praskání napětím (SSC). Titan však může být za určitých podmínek zranitelný – nízké pH, vysoké koncentrace chloridů, teploty přesahující 80 stupňů a přítomnost tahových napětí. Vzorek podélného zbytkového napětí vyvolaného během tažení trubek značně ovlivňuje náchylnost k SSC. Trn protažený dutým předvalkem snižuje průměr a tloušťku stěny při tažení trubek. Metoda vytváří charakteristický vzor zbytkových napětí s tahovými napětími na vnějším povrchu a tlakovými napětími na vnitřním povrchu nebo naopak v závislosti na tom, zda je trubka tažena bez vnitřního trnu (zapuštěný tah) nebo přes pevný trn. Povrch pod tahovým zbytkovým napětím má výrazně zvýšené riziko iniciace SSC.

Mechanismus iniciace SSC na místech zbytkového stresu

Vodíkové křehnutí, ke kterému dochází v prostředích obsahujících H2S, se nazývá sulfidové praskání napětím. Sirovodík otravuje proces rekombinace vodíku a žene atomární vodík do kovové mřížky. Vodík absorbovaný pod tahovým napětím difunduje do míst koncentrace tříosého napětí, jako jsou hranice zrn, vměstky nebo povrchové defekty. Vodík snižuje kohezní pevnost hranic titanových zrn a způsobuje inter{3}} nebo transgranulární šíření trhlin. Jakákoli napětí působící v provozu (tlak, tepelná roztažnost, omezení montáže) se sčítají se zbytkovými tahovými napětími z výkresu trubky. K iniciaci SSC dochází, když součet napětí v tahu dosáhne prahové hodnoty (asi 40–60 % meze kluzu pro titan v kyselém provozu). Podélný směr je zvláště důležitý, protože trhliny v axiálním směru se budou šířit ve směru trubky, což má za následek katastrofické štěpení.

Kvantitativní hodnoty zbytkového napětí pro různé metody tažení drátu

Zbytková napětí měřená pomocí rentgenové difrakce na titanových trubkách Grade 2 odhalila typické vzory podélného povrchového napětí:

Zapuštěný tah (bez vnitřního trnu, trubka redukovaná pouze vnějšími průvlaky) Vnější povrch vyvine tahové zbytkové napětí 80 až 120 MPa. Na vnitřním povrchu vznikají zbytková napětí v tlaku (50 až 80 MPa). Externí expozice H2S může způsobit SSC na tahovém vnějším povrchu.

Tažení trnu (trubka tažená přes pevný vnitřní trn): Vnější povrch vyvíjí zbytkové napětí v tlaku 40–70 MPa. Na vnitřním povrchu vytváří zbytkové napětí v tahu 100-150 MPa. Vnitřní tahový povrch je citlivý na SSC vnitřní expozicí H2S.

Tažení zátky (plovoucí trn, střední redukce) Vyvážený vzor zbytkového napětí s oběma stranami při 20 až 50 MPa (tah nebo tlak v závislosti na redukčním poměru). Nejlepší pro kyselou obsluhu.

Tažení za studena + žíhání pro odlehčení pnutí (540 stupňů, 30 min): zbytková pnutí klesla na < 15 MPa na obou površích nezávisle na procesu tažení. Dobré pro silně kyselé služby.

Citlivost SSC založená na vzoru zbytkového napětí

Po kontrolovaném testování v roztoku A NACE TM0177 (5% NaCl, 0,5% kyselina octová, nasycená H2S, pH 2,7, 25 stupňů) byly stanoveny následující prahové hodnoty SSC:

Povrchové napětí v tahu<30 MPa: No SSC initiation after 1000 hours. Safe for any sour service.

30-60MPa povrchové napětí v tahu: 500–1 000 h SSC čas nástupu. Vhodné pro nekritický servis s pravidelnou kontrolou.

Povrchové napětí v tahu 60-100 MPa: Doba startu SSC 100-500 hodin. Rychlost šíření trhlin je 0,1 až 0,5 mm/h, jakmile se usadí.

Iniciace SSC při povrchovém tahovém napětí > 100 MPa za < 24-100 h. K selhání trubky dochází během několika týdnů v důsledku rychlého šíření trhlin.

Průvodce výběrem metody kreslení kyselých služeb

Níže uvedená tabulka je rozhodovací matice pro postupy tažení trubek na základě závažnosti kyselého provozu a směru vystavení napětí.

Stav kyselých služeb a místo expozice H₂S Doporučená metoda kreslení Vzor zbytkového napětí a zmírnění rizika SSC
Pouze vnější expozice H₂S (trubka ponořená do kyselé solanky, vnitřního suchého nebo inertního plynu) Tažení zátky s žíháním pro odlehčení pnutí Vnější povrch s tlakem nebo nízkým tahem. Zbytkový stres<30 MPa. Max SSC resist.
Pouze vnitřní expozice H2S (kyselý plyn uvnitř trubky, čisté prostředí vnější) Potopení (uvnitř povrchu tlakové) Tlakové napětí na vnitřním povrchu (50 až 80 MPa). Vnější povrch v tahu, neexponovaný. To je v pořádku.
Oba povrchy jsou v kontaktu s H2S (trubka ponořená do kyselé kapaliny, vnitřní kyselý plyn) Plus zásuvka, úplné uvolnění tahu Zbytkové napětí na obou površích<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Nízký parciální tlak H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Standardní tah trnu žádné zmírnění napětíVnitřní povrchové tahové napětí je povoleno kvůli menšímu nebezpečí SSC. Čtvrtletní monitorování pH.
High H2S partial pressure (>1 psi), nízké pH (<4), Temperature >80oC Zástrčné kreslení, Uvolnění pnutí plus povrchové brokování Brokové peening vytváří vrstvu stlačení (150-200 MPa) bez ohledu na postup kreslení. Nejspolehlivější.
Beyond Residual Stress Engineering -

Doba šíření SSC závisí na tloušťce stěny, nikoli na začátku SSC. Stěna, která je silnější (1,5 mm) a má velké zbytkové napětí v tahu (100 MPa), může také prasknout, ale trvá déle, než se trhlina dostane skrz. Průměr trubky je také důležitý: pro stejnou redukci tažení vykazují větší průměry (50 mm oproti 20 mm) vyšší velikosti zbytkového napětí v důsledku vyšší diferenciální deformace. Prahová koncentrace H2S pro SSC v titanu je kolem 0,01 psi parciálního tlaku při 25 stupních a klesá na 0,001 psi při 80 stupních. Legující přísady do slitin titanu Grade 7 a Grade 12 mají za následek mnohem silnější odolnost SSC než u Grade 2, s o 50–100 % vyšší tolerancí zbytkového napětí.

Vytvoření znalé specifikace

Při specifikaci titanové ohřívací trubice zahrňte při specifikaci titanové topné trubice pro kyselé prostředí potřebu měření zbytkového napětí v reprezentativním vzorku metodou rentgenové difrakce nebo děrování-. Výrobní postup: - nákres zástrčky - žíhání pro odlehčení pnutí (540 stupňů, 30 minut, argonová atmosféra) Vyžádejte si potvrzení, že podélné povrchové zbytkové napětí je menší nebo rovno 30 MPa (tah) na jakémkoli povrchu vystaveném H2S. Specifikujte titan třídy 7 pro silně kyselé prostředí (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 stupňů) nezávisle na zbytkovém napětí, s povrchovou úpravou brokováním pro vytvoření kompresní vrstvy. Kontrolujte trubku ohřívače čtvrtletně pomocí techniky elektrického odporu v provozu. Nárůst o 5 až 10 procent indikuje pravděpodobný začátek zlomeniny SSC a vyžaduje rychlou ultrazvukovou kontrolu. Technik používá výběr metody kreslení a následné zpracování- k regulaci vzorců zbytkového napětí a zabránění praskání sulfidovým namáháním, což je jeden z nejobtížnějších mechanismů selhání u zařízení pro údržbu kyselého titanu.