Cum afectează modelul de tensiuni reziduale longitudinale de la desenarea tubului susceptibilitatea la fisurarea prin stres cu sulfuri în medii de serviciu acru?

Condițiile de funcționare acru care conțin hidrogen sulfurat (H 2 S) sunt printre cele mai dificile aplicații pentru componentele metalice. În general, aliajele de titan sunt rezistente la cracarea prin stres cu sulfuri (SSC), spre deosebire de oțelurile carbon și slab aliate. Cu toate acestea, titanul poate fi vulnerabil în anumite condiții – pH scăzut, concentrații mari de clorură, temperaturi care depășesc 80 de grade și prezența tensiunilor de tracțiune. Modelul tensiunii reziduale longitudinale indus în timpul tragerii tubului afectează susceptibilitatea la SSC considerabil. Un dorn tras printr-o țagla goală reduce diametrul și grosimea peretelui la tragerea tubului. Metoda produce un model caracteristic de tensiuni reziduale cu tensiuni de tracțiune în suprafața exterioară și tensiuni de compresiune în suprafața interioară sau invers, în funcție de faptul că tubul este tras fără un dorn intern (destire înfundată) sau peste un dorn fix. Suprafața supusă tensiunii reziduale de tracțiune prezintă un risc semnificativ crescut pentru inițierea SSC.

Mecanismul de inițiere a SSC la locurile de stres rezidual

Fragilarea pe bază de hidrogen, care apare în setari care conțin H₂S, se numește fisurare la stres cu sulfuri. Hidrogenul sulfurat otrăvește procesul de recombinare a hidrogenului și conduce hidrogenul atomic în rețeaua metalică. Hidrogenul absorbit sub tensiune de tracțiune difuzează în locații de concentrare a tensiunilor triaxiale, cum ar fi limitele de granule, incluziuni sau defecte de suprafață. Hidrogenul reduce rezistența de coeziune a granițelor de titan și provoacă propagarea fisurilor inter- sau transgranulare. Orice tensiuni exercitate în exploatare (presiune, dilatare termică, restricții de montare) se însumează cu tensiunile de întindere reziduale din tracțiunea tubului. Inițierea SSC are loc atunci când suma tensiunilor de întindere atinge o valoare de prag (aproximativ 40-60% din limita de curgere pentru titan în serviciu acru). Direcția longitudinală prezintă o preocupare specială, deoarece fisurile în direcția axială se vor propaga în direcția tubului, rezultând o despicare catastrofală.

Valori cantitative ale tensiunii reziduale pentru diferite metode de trefilare

Tensiunile reziduale măsurate prin difracția de raze X-pe tuburile de titan de gradul 2 au evidențiat modele tipice de tensiuni longitudinale de suprafață:

Trefilare înfundată (fără dorn intern, tub redus doar prin matrițe externe) Suprafața exterioară dezvoltă tensiuni reziduale de tracțiune de 80 până la 120 MPa. Tensiuni reziduale de compresiune (50 până la 80 MPa) apar pe suprafața interioară. Expunerea externă la H2S poate cauza SSC pe suprafața exterioară de tracțiune.

Tragere dorn (tub tras peste dorn intern fix): Suprafața exterioară dezvoltă efort rezidual de compresiune de 40–70 MPa. Acesta generează tensiuni reziduale de tracțiune de 100-150 MPa la suprafața interioară. Suprafața interioară de întindere este susceptibilă la SSC prin expunerea internă la H2S.

Desenul dopului (dorn plutitor, reducere moderată) Model echilibrat de tensiuni reziduale cu ambele părți la 20 până la 50 MPa (întindere sau compresiune în funcție de raportul de reducere). Cel mai bun pentru serviciul acru.

Trefilare la rece + recoacere cu eliberare a tensiunii (540 grade, 30 min): deformațiile reziduale au scăzut la < 15 MPa pe ambele suprafețe, independent de procesul de trefilare. Bun pentru serviciu acru sever.

Modelul de stres rezidual bazat pe susceptibilitatea SSC

În urma testării controlate în soluția A NACE TM0177 (5% NaCl, 0,5% acid acetic, saturat cu H₂S, pH 2,7, 25 grade), au fost determinate următoarele praguri SSC:

Tensiunea de tracțiune la suprafață<30 MPa: No SSC initiation after 1000 hours. Safe for any sour service.

30-60MPa efort de tracțiune la suprafață: 500-1.000 h timp de debut SSC. Potrivit pentru service non-critice cu inspecție periodică.

Tensiune la tracțiune la suprafață 60-100 MPa: timp de pornire SSC 100-500 ore. Ratele de propagare a fisurilor sunt de 0,1 până la 0,5 mm/h odată stabilite.

Inițierea SSC la efort de tracțiune la suprafață > 100 MPa în < 24-100 h. Defectarea tubului are loc în câteva săptămâni din cauza propagării rapide a fisurilor.

Ghid de selectare a metodei de desen de Sour Service

Tabelul de mai jos este o matrice de decizie pentru procedurile de tragere a tuburilor bazate pe severitatea serviciului acru și direcția expunerii la stres.

Condiție de serviciu acru și H₂S Locație de expunere Metodă de desen recomandată Model de stres rezidual și SSC Atenuarea riscului
Doar expunere externă la H₂S (tub scufundat în saramură acidă, gaz intern uscat sau inert) Trecere a dopului cu recoacere de detensionare Suprafața exterioară cu compresie sau tensiune scăzută. Stresul rezidual<30 MPa. Max SSC resist.
Doar expunere internă la H2S (gaz acru în interiorul tubului, mediu curat exterior) Retire înfundată (compresiune suprafață interioară) Tensiune de compresie pe suprafața interioară (50 până la 80 MPa). Suprafață exterioară la tracțiune, neexpusă. E bine.
Ambele suprafețe contactate de H2S (tub scufundat în lichid acru, gaz acru intern) Plus tragere dop, eliberare completă a tensiunii Tensiuni reziduale pe ambele suprafețe<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Presiune parțială scăzută a H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Tragerea standard a dornului fără atenuare a tensiunilor Tensiunea interioară de întindere a suprafeței este permisă datorită pericolului mai mic de SSC. Monitorizarea trimestrială a pH-ului.
High H2S partial pressure (>1 psi), pH scăzut (<4), Temperature >80oC Desenarea dopului, eliberarea tensiunii plus peening la suprafață. Shot peening creează un strat de compresie (150-200 MPa), indiferent de procedura de desen. Cel mai de încredere.
Dincolo de ingineria tensiunii reziduale -

Timpul de propagare a SSC depinde de grosimea peretelui, nu de debutul SSC. Un perete care este mai gros (1,5 mm) și are o tensiune reziduală mare de întindere (100 MPa) se poate fisura, dar durează mai mult pentru ca fisura să treacă. Diametrul tubului este, de asemenea, important: pentru aceeași reducere a tragerii, diametrele mai mari (50 mm față de 20 mm) prezintă magnitudini mai mari ale tensiunii reziduale, datorită deformării diferențiale mai mari. Concentrația prag de H2S pentru SSC în titan este de aproximativ 0,01 psi presiune parțială la 25 de grade și scade la 0,001 psi la 80 de grade. Adăugările de aliere în aliajele de titan de gradul 7 și gradul 12 au ca rezultat o rezistență SSC mult mai puternică decât în ​​gradul 2, cu toleranță la stres rezidual cu 50-100% mai mare.

Realizarea unei specificații informate

Pentru serviciul acru, atunci când specificați un tub de încălzire din titan, includeți necesitatea măsurării tensiunii reziduale într-o probă reprezentativă prin difracție de raze X-sau metoda de foraj-. Procedura de fabricație: - tragere ștecher - recoacere de reducere a tensiunii (540 grade , 30 minute, atmosferă de argon) Solicitați confirmarea faptului că efortul rezidual longitudinal de suprafață este mai mic sau egal cu 30 MPa (întindere) pe orice suprafață expusă la H2S. Specificați titan de gradul 7 pentru un serviciu acru sever (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 de grade) independent de stresul rezidual, cu un tratament de peening la suprafață pentru a oferi un strat compresiv. Inspectați tubul de încălzire trimestrial folosind tehnica rezistenței electrice în funcțiune. O creștere de 5 până la 10 procente indică începutul probabil al fracturii SSC și necesită o inspecție rapidă cu ultrasunete. Inginerul folosește selecția metodei de desen și post{6}}procesarea pentru a regla tiparele de tensiuni reziduale și pentru a preveni fisurarea prin tensiuni de sulfură, care este unul dintre cele mai dificile mecanisme de defecțiune pentru echipamentele de service acru de titan.