Kako omjer smanjenja izvlačenja cijevi (15% naspram. 30%) bešavnog grijača od titanijuma utječe na granični napon za vodonik-indukovano pucanje u kiseloj službi na 60 stepeni?

Cijevi grijača od bešavnog titanijuma proizvode se provlačenjem kroz kalupe, sa redukcijama obično reda veličine od 15 do 30 posto po prolazu. Omjer redukcije određuje količinu hladnog rada, gustinu dislokacije i kristalografsku teksturu u finalnoj cijevi. Vodikom{4}}indukovano pucanje (HIC) javlja se u kiselim radnim okruženjima uključujući vodonik sulfid (H2S) na 60 stepeni kada lokalna koncentracija vodonika premašuje terminalnu rastvorljivost čvrste materije. HIC prag naprezanja, tj. najniže vlačno naprezanje pri kojem dolazi do pucanja pri datoj koncentraciji vodika, direktno ovisi o mikrostrukturi cijevi. Povećani omjer redukcije (30%) dovodi do finije veličine zrna i veće gustine dislokacije što povećava mjesta zarobljavanja vodika i povećava granično naprezanje. Niži omjer redukcije od 15% rezultira većim zrnima i manjim brojem zamki, a time i smanjenjem graničnog naprezanja od 40-70 MPa.

Mehanizam hvatanja vodonika i iniciranja pukotina u izvučenoj cijevi

U titanijumu se dislokacije, granice zrna i praznine ponašaju kao zamke vodonika. Finija zrna iz viših omjera redukcije pružaju veću površinu granice zrna po jedinici volumena što ravnomjernije raspoređuje vodonik i odgađa taloženje hidrida. Granični napon za HIC je dat relacijom σ_th=σ_0 + k × ρ_dislokacije^{0,5}, gdje je σ_0 unutrašnji otpor, a ρ_dislokacije je gustina dislokacija. Gustine dislokacija su \\sim 10^{14}-10^{15} m^{-2} za omjer smanjenja od 30% naspram \\sim 10^{13}-10^{14} m^{-2} za smanjenje od 15%. Ova razlika povećava σ_th za 30–50 MPa. Također, kristalografska struktura iz viših omjera redukcije poravnava zrna da se odupru difuziji vodonika duž bazalnih ravni.

Prag naprezanja za različite omjere redukcije - kvantitativno

HIC granična naprezanja za cijevi od titana Grade 2 određena su kontroliranim ispitivanjem u kiseloj otopini soli (5% NaCl, 0,5% sirćetne kiseline, zasićene H2S, pH 3,5) na 60 stepeni sa katodnim punjenjem. Sa omjerom redukcije od 15% (niski hladni rad), granično naprezanje je 120-150 MPa, koncentracija vodonika pri kvaru je 250-350 ppm, a veličina zrna je ASTM 6-7. Sa smanjenjem od 20%, granično naprezanje se povećava na 150~180 MPa, koncentracija vodonika pri kvaru penje se na 300~400 ppm, a veličina zrna je ASTM 7~8. Prag naprezanja pri smanjenju od 25%: 170–200 MPa; koncentracija pri kvaru: 350–450 ppm H; veličina zrna: ASTM 8–9. Granični napon pri smanjenju od 30% (visoki rad na hladnom)=190-220 MPa Koncentracija vodika pri kvaru=400-500 ppm Veličina zrna=ASTM 9-10 Nasuprot tome, potpuno žarene cijevi sa 0% hladnog rada imaju granični napon od samo 80 do 110 grana do MPa veličine ASTM i veličine ASTM.

Utjecaj primijenjenog naprezanja i koncentracije vodika na pucanje

Odnosi između primijenjenog vremena do kvara i koncentracije{0}}vodika naprezanja su predviđeni kao funkcija omjera redukcije. Pri primijenjenom naprezanju od 100 MPa, cijev sa redukcijom od 15% dostiže kritičnu koncentraciju vodonika od 300 ppm, što traje oko 1 godinu pri brzini apsorpcije vodonika od 1 ppm/dan. Ta ista cijev sa smanjenjem od 30% ima kritičnu koncentraciju od 450 ppm i vijek trajanja od 1,8 godina. Redukciona cijev od 15 % pokvari se na nivou vodonika od 200 ppm pri primijenjenom naprezanju od 150 MPa za 7 mjeseci, dok cijev za redukciju od 30 % otkaže na nivou vodonika od 350 ppm za 14 mjeseci. Cev sa redukcijom od 15% brzo se kvari sa primenjenim naprezanjem od 200 MPa i koncentracijom vodonika ispod 100 ppm, dok cev sa redukcijom od 30% zahteva 280 ppm vodonika i traje 11 meseci.

Vodič za odabir omjera redukcije Sour Service na 140 stepeni F

Tabela u nastavku daje smjernice za izbor omjera smanjenja izvlačenja cijevi za bešavne grijače od titanijuma 2. razreda u kiselom radu s obzirom na parcijalni pritisak H 2 S, primijenjeno naprezanje i očekivani vijek trajanja.

H2S parcijalni pritisak (bar) pH otopine Maksimalni primijenjeni napon (MPa) Preporučeni omjer redukcije Minimalna veličina zrna (ASTM) Očekivani HIC granični napon (MPa)<0.05 >4.0 <100 15–20% 6 >150 0.05–0.10 3.5–4.0 100–150 20–25% 7 >180 0.10–0.20 3.0–3.5 150–200 25–30% 8 >200 0.20–0.50 2.5–3.0 150–180 30% plus Grade 7 9 >220 >0.50 <2.5 >150 Ne preporučuje se za stepen 2 N/AN/A
Inženjering izvan izbora omjera redukcije

Kvalitet titana ima značajan uticaj na otpornost na HIC, bez obzira na omjer redukcije. Paladijum-stabilizirana klasa 7 ima granična naprezanja 50–100 MPa veća od stepena 2 pri istom redukcijskom omjeru, što se pripisuje paladijum-kataliziranoj rekombinaciji vodonika. Stepen 12 ima umjereno poboljšanje od 30-50 MPa. Žarenje nakon izvlačenja (ublažavanje naprezanja na 540 stepeni u trajanju od 30 min.) smanjuje gustinu dislokacije i takođe smanjuje HIC prag. Hladno vučeno, bez naknadnog žarenja, je stoga preporučeno stanje cijevi za kiselu upotrebu. Prag naprezanja je nezavisan od debljine zida, iako mijenja trajanje širenja loma: zid od 2,0 mm koji sadrži pukotinu može živjeti duže do perforacije nego zid od 1,2 mm.

Navedite s povjerenjem

• Za bešavnu cijev grijača od titanijuma u kiselom radu na 60 stepeni navedite omjer hladno vučene redukcije od 25-30% bez dodatnog žarenja. Potrebna je minimalna veličina zrna od ASTM 8, a potrebna je i potvrda gustine dislokacije pomoću analize širenja vrha difrakcije X-. Za ekstremno kiselu upotrebu sa parcijalnim pritiskom H₂S > 0,2 bara, navedite titanijum stepena 7 sa omjerom redukcije od 30%. Test punjenja vodonikom na sekciji uzorka tokom ulazne inspekcije: napunite do 400 ppm vodonika, zatim primenite 80% specificiranog napona tečenja, odbacite seriju ako dođe do pucanja u roku od 100 sati. Odabirom većeg omjera redukcije od 30% umjesto 15%, inženjer poboljšava granični napon za pucanje izazvano vodonikom za 40-70 MPa, dodajući značajnu sigurnosnu marginu u situacijama kiselog rada.