Hoe beïnvloedt het longitudinale restspanningspatroon van het trekken van buizen de gevoeligheid voor sulfidespanningsscheuren in zure serviceomgevingen?

Zware gebruiksomstandigheden die waterstofsulfide (H 2 S) bevatten, behoren tot de meest uitdagende toepassingen voor metalen componenten. Over het algemeen zijn titaniumlegeringen bestand tegen sulfidespanningsscheuren (SSC), in tegenstelling tot koolstof- en laag-gelegeerde staalsoorten. Titanium kan echter onder bepaalde omstandigheden kwetsbaar zijn: lage pH, hoge chlorideconcentraties, temperaturen boven de 80 graden en de aanwezigheid van trekspanningen. Het patroon van longitudinale restspanningen die worden veroorzaakt tijdens het trekken van buizen beïnvloedt de gevoeligheid voor SSC aanzienlijk. Een doorn die door een holle knuppel wordt getrokken, vermindert de diameter en wanddikte bij het buistrekken. De methode levert een karakteristiek patroon van restspanningen op met trekspanningen in het buitenoppervlak en drukspanningen in het binnenoppervlak of omgekeerd, afhankelijk van het feit of de buis zonder interne doorn wordt getrokken (verzonken tekening) of over een vaste doorn. Het oppervlak onder trekrestspanning loopt een aanzienlijk verhoogd risico op SSC-initiatie.

Mechanisme van SSC-initiatie op reststresslocaties

Waterstofverbrossing, die optreedt in H₂S-houdende omgevingen, wordt sulfidespanningsscheuren genoemd. Waterstofsulfide vergiftigt het waterstofrecombinatieproces en drijft atomaire waterstof in het metaalrooster. Waterstof dat onder trekspanning wordt geabsorbeerd, diffundeert naar locaties met triaxiale spanningsconcentratie, zoals korrelgrenzen, insluitsels of oppervlaktedefecten. Waterstof vermindert de cohesiesterkte van titaniumkorrelgrenzen en veroorzaakt inter- of transgranulaire scheurvoortplanting. Eventuele spanningen die tijdens het gebruik worden uitgeoefend (druk, thermische uitzetting, montagebeperkingen) worden opgeteld bij de resterende trekspanningen die voortvloeien uit het trekken van buizen. SSC-initiatie vindt plaats wanneer de som van de trekspanning een drempelwaarde bereikt (ongeveer 40-60% van de vloeigrens voor titanium in zure dienst). De lengterichting is van bijzonder belang omdat scheuren in de axiale richting zich in de buisrichting zullen voortplanten, wat tot catastrofale splitsing zal leiden.

Kwantitatieve restspanningswaarden voor verschillende draadtrekmethoden

Residuele spanningen gemeten door röntgendiffractie op titaniumbuizen van klasse 2 brachten typische longitudinale oppervlaktespanningspatronen aan het licht:

Verzonken trekken (zonder interne doorn, buis alleen verkleind door externe matrijzen) Het buitenoppervlak ontwikkelt een resttrekspanning van 80 tot 120 MPa. Er ontstaan ​​drukrestspanningen (50 tot 80 MPa) op het binnenoppervlak. Externe blootstelling aan H2S kan SSC veroorzaken in het trekvaste buitenoppervlak.

Doorntrekken (buis getrokken over vaste interne doorn): Het buitenoppervlak ontwikkelt een drukrestspanning van 40–70 MPa. Het genereert een resttrekspanning van 100-150 MPa aan het binnenoppervlak. Het binnenste trekoppervlak is gevoelig voor SSC door interne H2S-blootstelling.

Plugtrekken (zwevende doorn, matige reductie) Evenwichtig restspanningspatroon met beide zijden bij 20 tot 50 MPa (trek- of druksterkte afhankelijk van de reductieverhouding). Beste voor zure service.

Koudtrekken + spanningsarmgloeien (540 graden, 30 min): restspanningen namen af ​​tot < 15 MPa op beide oppervlakken, onafhankelijk van het trekproces. Goed voor ernstige zure service.

Op reststresspatroon gebaseerde SSC-gevoeligheid

Na gecontroleerde tests in NACE TM0177 oplossing A (5% NaCl, 0,5% azijnzuur, verzadigd met H₂S, pH 2,7, 25 graden), zijn de volgende SSC-drempels bepaald:

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

30-60 MPa oppervlaktetrekspanning: 500-1.000 uur SSC-aanvangstijd. Geschikt voor niet-kritisch onderhoud met periodieke inspectie.

Oppervlaktetrekspanning 60-100 MPa: SSC-starttijd 100-500 uur. De scheurvoortplantingssnelheid bedraagt ​​0,1 tot 0,5 mm/uur zodra deze is vastgesteld.

SSC-initiatie bij oppervlaktetrekspanning > 100 MPa in < 24-100 uur. Buisbreuk treedt binnen enkele weken op als gevolg van snelle scheurvoortplanting.

Selectiegids voor de tekenmethode voor zure service

De onderstaande tabel is een beslissingsmatrix voor buistrekprocedures, gebaseerd op de ernst van de zure belasting en de richting van de blootstelling aan spanning.

Zure gebruiksomstandigheden en H₂S-blootstellingslocatie Aanbevolen tekenmethode Residueel spanningspatroon en SSC-risicobeperking
Alleen externe H₂S-blootstelling (buis ondergedompeld in zure pekel, inwendig droog of inert gas) Plugtrekken met spanningsvrij gloeien Buitenoppervlak met compressie of lage spanning. Resterende spanning<30 MPa. Max SSC resist.
Alleen interne H2S-blootstelling (zuur gas in de buis, schone omgeving extern) Verzonken trek (druk aan de binnenkant van het oppervlak) Drukspanning op het binnenoppervlak (50 tot 80 MPa). Trekvast buitenoppervlak, niet blootgesteld. Dat is in orde.
Beide oppervlakken in contact met H2S (buis ondergedompeld in zure vloeistof, intern zuur gas) Plus stekkertrekking, volledige spanningsontlasting Restspanning op beide oppervlakken<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Lage partiële H2S-druk (<0.1 psi), high pH (>4.5) Standaard doorntrekking geen spanningsverlichting Trekspanning aan het binnenoppervlak is toegestaan ​​vanwege het kleinere gevaar van SSC. Driemaandelijkse pH-monitoring.
High H2S partial pressure (>1 psi), lage pH (<4), Temperature >80oC Plugtrekken, spanningsvrij maken plus oppervlakte-shotpeeningShot-peening creëert een compressielaag (150-200 MPa), ongeacht de tekenprocedure. Meest betrouwbaar.
Verder dan restspanningstechniek -

De voortplantingstijd van SSC hangt af van de wanddikte, niet van het begin van SSC. Een muur die dikker is (1,5 mm) en een grote resttrekspanning heeft (100 MPa) kan ook scheuren, maar het duurt langer voordat de scheur doordringt. De buisdiameter is ook belangrijk: voor dezelfde trekreductie vertonen grotere diameters (50 mm versus 20 mm) grotere restspanningen, als gevolg van hogere differentiële vervorming. De drempelwaarde voor H2S-concentratie voor SSC in titanium ligt rond de 0,01 psi partiële druk bij 25 graden en neemt af tot 0,001 psi bij 80 graden. Legeringstoevoegingen in titaniumlegeringen van klasse 7 en klasse 12 resulteren in een veel sterkere SSC-weerstand dan in klasse 2, met een 50-100% hogere restspanningstolerantie.

Het maken van een deskundige specificatie

Voor zure service moet u bij het specificeren van een titanium verwarmingsbuis rekening houden met de noodzaak om de restspanning in een representatief monster te meten door middel van röntgendiffractie of een gat--boormethode. Fabricageprocedure: - plugtrekken - spanningsarm gloeien (540 graden, 30 minuten, argonatmosfeer) Vraag om bevestiging dat de restspanning van het longitudinale oppervlak kleiner dan of gelijk is aan 30 MPa (trek) op elk oppervlak blootgesteld aan H2S. Specificeer titanium van klasse 7 voor ernstige zure omstandigheden (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 graden) onafhankelijk van restspanning, met een oppervlaktestraalbehandeling om een ​​druklaag te creëren. Inspecteer de verwarmingsbuis elk kwartaal met behulp van de elektrische weerstandstechniek die in gebruik is. Een toename van 5 tot 10 procent duidt op een waarschijnlijk begin van een SSC-fractuur en vereist een snelle ultrasone inspectie. De ingenieur maakt gebruik van de tekenmethodeselectie en na-nabewerking om resterende spanningspatronen te reguleren en sulfidespanningsscheuren te voorkomen, wat een van de moeilijkste faalmechanismen is voor titaniumzure serviceapparatuur.