Kako uzorak uzdužnog zaostalog naprezanja iz crteža cijevi utječe na podložnost pucanju sulfidnog naprezanja u kiselim radnim okruženjima?

Kiseli uslovi rada koji sadrže vodonik sulfid (H 2 S) su među najizazovnijim primenama za metalne komponente. Općenito, legure titana su otporne na pucanje sulfidnim stresom (SSC) za razliku od ugljičnih i niskolegiranih čelika. Međutim, titan može biti ranjiv pod određenim uslovima – nizak pH, visoke koncentracije hlorida, temperature preko 80 stepeni i prisustvo vlačnih napona. Obrazac uzdužnog zaostalog naprezanja izazvanog tokom izvlačenja cijevi značajno utječe na osjetljivost na SSC. Trn provučen kroz šuplju gredicu smanjuje promjer i debljinu stijenke u izvlačenju cijevi. Metoda daje karakterističan obrazac zaostalih naprezanja s vlačnim naprezanjima na vanjskoj površini i tlačnim naponima na unutarnjoj površini ili obrnuto, ovisno o tome da li je cijev izvučena bez unutrašnjeg trna (upušteno izvlačenje) ili preko fiksnog trna. Površina pod vlačnim zaostalim naprezanjem ima značajno povećan rizik od iniciranja SSC.

Mehanizam pokretanja SSC-a na mjestima zaostalih naprezanja

Krhkost vodika, koja se javlja u okruženjima koja sadrže H₂S, naziva se sulfidnim naprezanjem. Vodonik sulfid truje proces rekombinacije vodonika i tjera atomski vodonik u metalnu rešetku. Vodik apsorbiran pod vlačnim naprezanjem difundira do mjesta koncentracije troosnog naprezanja, kao što su granice zrna, inkluzije ili površinski defekti. Vodonik smanjuje kohezionu čvrstoću granica zrna titanijuma i uzrokuje među- ili transgranularno širenje pukotina. Sva naprezanja u radu (pritisak, termička ekspanzija, ograničenja montaže) se zbrajaju sa zaostalim vlačnim naponima iz crteža cijevi. SSC iniciranje se događa kada zbir zateznog naprezanja dostigne graničnu vrijednost (oko 40-60% granice popuštanja titanijuma u kiselom stanju). Uzdužni smjer je od posebne važnosti jer će se pukotine u aksijalnom smjeru širiti u smjeru cijevi što rezultira katastrofalnim cijepanjem.

Kvantitativne vrijednosti zaostalih napona za različite metode izvlačenja žice

Zaostala naprezanja mjerena difrakcijom X- zraka na titanijumskim cijevima razreda 2 otkrila su tipične uzorke uzdužnog površinskog naprezanja:

Upušteno izvlačenje (bez unutrašnjeg trna, cijev redukovana samo vanjskim matricama) Vanjska površina razvija zaostalo naprezanje zatezanja od 80 do 120 MPa. Na unutarnjoj površini nastaju tlačna zaostala naprezanja (50 do 80 MPa). Eksterno izlaganje H2S može uzrokovati SSC na vlačnoj vanjskoj površini.

Izvlačenje trna (cijev povučena preko fiksnog unutrašnjeg trna): Vanjska površina razvija tlačno zaostalo naprezanje od 40-70 MPa. Stvara zaostalo zatezno naprezanje od 100-150 MPa na unutrašnjoj površini. Unutrašnja zatezna površina je osjetljiva na SSC zbog unutrašnjeg izlaganja H2S.

Izvlačenje čepa (plutajuća trna, umjerena redukcija) Uravnotežena šema zaostalih naprezanja sa obje strane na 20 do 50 MPa (zatezna ili tlačna ovisno o omjeru redukcije). Najbolje za kiselu uslugu.

Hladno izvlačenje + žarenje za ublažavanje naprezanja (540 stepeni, 30 min): zaostala naprezanja su smanjena na < 15 MPa na obe površine nezavisno od procesa izvlačenja. Dobro za jako kiselu uslugu.

SSC osjetljivost na osnovu obrasca zaostalog naprezanja

Nakon kontroliranog testiranja u NACE TM0177 otopini A (5% NaCl, 0,5% octene kiseline, zasićene H₂S, pH 2,7, 25 stepeni), utvrđeni su sljedeći SSC pragovi:

Površinski zatezni napon<30 MPa: No SSC initiation after 1000 hours. Safe for any sour service.

30-60MPa površinski zatezni napon: 500-1,000 h SSC vrijeme početka. Pogodno za nekritične usluge sa periodičnim pregledima.

Površinski zatezni napon 60-100 MPa: SSC startno vrijeme 100-500 sati. Brzina širenja pukotina je 0,1 do 0,5 mm/h kada se jednom uspostavi.

SSC iniciranje pri površinskom vlačnom naponu > 100 MPa za < 24-100 h. Do kvara cijevi dolazi za nekoliko sedmica zbog brzog širenja pukotine.

Vodič za odabir metode crtanja Sour Service

Donja tabela je matrica odluka za postupke izvlačenja cijevi na osnovu ozbiljnosti kiselog servisa i smjera izloženosti naprezanju.

Kiseli servisni uvjeti i lokacija izloženosti H₂S Preporučena metoda crtanja Uzorak preostalog naprezanja i SSC ublažavanje rizika
Samo vanjska izloženost H₂S (cijev uronjena u kiseli slani rastvor, unutrašnji suvi ili inertni gas) Crtež utikača sa žarenjem za ublažavanje naprezanja Spoljna površina sa kompresijom ili niskim naponom. Preostali stres<30 MPa. Max SSC resist.
Samo unutrašnja izloženost H2S (kiseli gas unutar cijevi, čista okolina eksterna) Potopljeno izvlačenje (unutrašnja površina tlačna) Napon na pritisak na unutrašnjoj površini (50 do 80 MPa). Zatezna vanjska površina, nije izložena. To je u redu.
Obe površine u kontaktu sa H2S (cev uronjena u kiselu tečnost, unutrašnji kiseli gas) Plus izvlačenje utikača, potpuno rasterećenje napetosti Preostalo naprezanje na obe površine<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Nizak parcijalni pritisak H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Standardno izvlačenje trna bez ublažavanja naprezanja Napon unutrašnjeg površinskog zatezanja je dozvoljen zbog manje opasnosti od SSC. Tromjesečno praćenje pH vrijednosti.
High H2S partial pressure (>1 psi), nizak pH (<4), Temperature >80oC izvlačenje utikača, oslobađanje naprezanja plus površinsko udarno glačanjeShot peening stvara sloj kompresije (150-200 MPa) bez obzira na proceduru izvlačenja. Najpouzdaniji.
Izvan inženjeringa rezidualnog naprezanja -

Vrijeme širenja SSC zavisi od debljine zida, a ne od početka SSC. Zid koji je deblji (1,5 mm) i ima veliko zaostalo vlačno naprezanje (100 MPa) također može napuknuti, ali je potrebno duže da pukotina prođe. Promjer cijevi je također važan: za isto smanjenje izvlačenja, veći promjeri (50 mm naspram 20 mm) pokazuju veće veličine zaostalog naprezanja, zbog veće diferencijalne deformacije. Prag koncentracije H2S za SSC u titanijumu je oko 0,01 psi parcijalnog pritiska na 25 stepeni i opada na 0,001 psi na 80 stepeni. Dodaci legure u legurama titanijuma stepena 7 i stepena 12 rezultiraju daleko jačom otpornošću na SSC nego u stepenu 2, sa 50-100% većom tolerancijom zaostalog naprezanja.

Izrada detaljne specifikacije

Za kiselu upotrebu, kada specificirate cijev grijača od titanijuma, uključite potrebu za mjerenjem preostalog naprezanja u reprezentativnom uzorku metodom X-difrakcije ili bušenja rupa{1}}. Proizvodni postupak: - izvlačenje čepa - žarenje za ublažavanje napona (540 stepeni, 30 minuta, atmosfera argona) Zatražite potvrdu da je uzdužni površinski preostali napon manji ili jednak 30 MPa (zatezanje) na bilo kojoj površini izloženoj H2S. Navedite titanijum stepena 7 za jako kiselu upotrebu (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 stepeni) nezavisno od preostalog naprezanja, sa površinskim mlazom za postizanje kompresivnog sloja. Provjeravajte cijev grijača tromjesečno koristeći tehniku ​​električnog otpora u radu. Povećanje od 5 do 10 posto ukazuje na vjerovatni početak prijeloma SSC i zahtijeva brzu ultrazvučnu inspekciju. Inženjer koristi odabir metode crtanja i naknadnu{6}}obradu da reguliše obrasce zaostalih naprezanja i spriječi pucanje sulfidnog naprezanja, što je jedan od najtežih mehanizama kvara za opremu za servisiranje kiselog titanijuma.