Hvordan påvirker det langsgående restspenningsmønsteret fra rørtegning følsomheten for sulfidspenningssprekker i sure servicemiljøer?

Sure bruksforhold som inneholder hydrogensulfid (H 2 S) er blant de mest utfordrende bruksområdene for metalliske komponenter. Generelt er titanlegeringer motstandsdyktige mot sulfidspenningscracking (SSC) i motsetning til karbon og lav-legert stål. Imidlertid kan titan være sårbart under visse forhold - lav pH, høye kloridkonsentrasjoner, temperaturer over 80 grader og tilstedeværelse av strekkspenninger. Mønsteret av longitudinell restspenning indusert under rørtrekking påvirker følsomheten for SSC betraktelig. En dor trukket gjennom et hult emne reduserer diameteren og veggtykkelsen ved rørtrekking. Metoden gir et karakteristisk mønster av restspenninger med strekkspenninger i ytre overflate og trykkspenninger i indre overflate eller omvendt, avhengig av om røret trekkes uten innvendig dor (senket tegning) eller over fast dor. Overflaten under gjenværende strekkspenning har betydelig økt risiko for SSC-initiering.

Mekanisme for SSC-initiering ved gjenværende stresssteder

Hydrogensprøhet, som forekommer i H₂S-holdige innstillinger, kalles sulfidspenningssprekking. Hydrogensulfid forgifter hydrogenrekombinasjonsprosessen og driver atomært hydrogen inn i metallgitteret. Hydrogen absorbert under strekkspenning diffunderer til steder med triaksial spenningskonsentrasjon, slik som korngrenser, inneslutninger eller overflatedefekter. Hydrogen reduserer kohesjonsstyrken til titankorngrenser og forårsaker inter- eller transgranulær sprekkforplantning. Eventuelle påkjenninger som utøves under drift (trykk, termisk ekspansjon, monteringsbegrensninger) summeres med gjenværende strekkspenninger fra rørtrekking. SSC-initiering skjer når summen av strekkspenningen når en terskelverdi (ca. 40–60 % av flytegrensen for titan i sur tjeneste). Lengderetningen er av spesiell bekymring fordi sprekker i aksial retning vil forplante seg i rørretningen og resultere i katastrofal spaltning.

Kvantitative restspenningsverdier for ulike trådtrekkemetoder

Restspenninger målt ved -røntgendiffraksjon på titanrør av grad 2 avslørte typiske langsgående overflatespenningsmønstre:

Nedsunket tegning (uten innvendig dor, rør redusert med kun utvendige dyser) Ytre overflate utvikler en strekkrestspenning på 80 til 120 MPa. Gjenstående trykkspenninger (50 til 80 MPa) oppstår på den indre overflaten. Ekstern H2S-eksponering kan forårsake SSC i den strekkfaste ytre overflaten.

Doring (rør trukket over fast innvendig dor): Ytre overflate utvikler en trykkrestspenning på 40–70 MPa. Den genererer strekkrestspenninger på 100-150 MPa på den indre overflaten. Den indre strekkoverflaten er utsatt for SSC ved intern H2S-eksponering.

Pluggtrekking (flytende dor, moderat reduksjon) Balansert restspenningsmønster med begge sider på 20 til 50 MPa (strekk eller trykk avhengig av reduksjonsforhold). Best for sur service.

Kaldtrekking + spenningsavlastende gløding (540 grader, 30 min): gjenværende tøyninger redusert til < 15 MPa på begge overflater uavhengig av tegneprosess. Bra for alvorlig sur service.

Restspenningsmønsterbasert SSC-følsomhet

Etter kontrollert testing i NACE TM0177 løsning A (5 % NaCl, 0,5 % eddiksyre, mettet med H₂S, pH 2,7, 25 grader), er følgende SSC-terskler blitt bestemt:

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

30-60MPa overflatestrekkspenning: 500-1000 timer SSC-starttid. Egnet for ikke-kritisk service med periodisk inspeksjon.

Overflatestrekkspenning 60-100 MPa: SSC starttid 100-500 timer. Sprekkforplantningshastigheter er 0,1 til 0,5 mm/time når de er etablert.

SSC-initiering ved overflatestrekkspenning > 100 MPa på < 24-100 timer. Rørfeil oppstår i løpet av noen få uker på grunn av rask sprekkforplantning.

Sour Service Tegnemetode Valgveiledning

Tabellen nedenfor er en beslutningsmatrise for rørtegningsprosedyrer basert på alvorlighetsgraden av sur service og retningen for stresseksponering.

Sur servicetilstand og H₂S-eksponering Plassering Anbefalt tegningsmetode Restbelastningsmønster og SSC-risikoreduksjon
Kun ekstern H₂S-eksponering (rør nedsenket i sur saltvann, innvendig tørr eller inert gass)Plugging med spenningsavlastende utglødning Ytre overflate med kompresjon eller lav spenning. Reststress<30 MPa. Max SSC resist.
Kun intern H2S-eksponering (sur gass inne i røret, rent miljø eksternt) Nedsenket tegning (kompresjon på innsiden av overflaten) Trykkspenning på den indre overflaten (50 til 80 MPa). Strekkfast utvendig overflate, ikke eksponert. Det er greit.
Begge overflater i kontakt med H2S (rør nedsenket i sur væske, intern sur gass) Pluss pluggtrekk, full spenningsavlastning Restbelastning på begge overflater<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Lavt H2S partialtrykk (<0.1 psi), high pH (>4.5)Standard dortrekk ingen spenningsreduksjon.Indre overflatestrekkspenning er tillatt på grunn av mindre fare for SSC. Kvartalsvis pH-overvåking.
High H2S partial pressure (>1 psi), lav pH (<4), Temperature >80oC Pluggtegning, Spenningsfrigjøring pluss overflatekuleskytingShotpeening skaper et lag med kompresjon (150-200 MPa) uavhengig av tegneprosedyren. Mest pålitelig.
Beyond Residual Stress Engineering -

SSC-utbredelsestid avhenger av veggtykkelse, ikke på begynnelsen av SSC. En vegg som er tykkere (1,5 mm) og har stor gjenværende strekkspenning (100 MPa) kan også sprekke, men det tar lengre tid før sprekken kommer gjennom. Rørdiameteren er også viktig: for den samme trekkreduksjonen viser større diametre (50 mm versus 20 mm) høyere størrelser av restspenning, på grunn av høyere differensiell deformasjon. Terskelen for H2S-konsentrasjon for SSC i titan er rundt 0,01 psi partialtrykk ved 25 grader og synker til 0,001 psi ved 80 grader. Legeringstilskudd i grad 7 og grad 12 titanlegeringer resulterer i langt sterkere SSC-motstand enn i grad 2, med 50–100 % høyere gjenværende spenningstoleranse.

Lage en kunnskapsrik spesifikasjon

For sur service, når du spesifiserer et varmerør i titan, inkludere et behov for måling av gjenværende spenning i en representativ prøve ved hjelp av røntgendiffraksjon eller hull-metode. Produksjonsprosedyre: - pluggtegning - spenningsavlastningsgløding (540 grader, 30 minutter, argonatmosfære) Be om bekreftelse på at den langsgående overflateresiduspenningen er mindre enn eller lik 30 MPa (strekk) på enhver overflate som er utsatt for H2S. Spesifiser Grade 7 titanium for alvorlig sur service (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 grader) uavhengig av gjenværende spenning, med en overflatebehandling for å gi et trykklag. Inspiser varmerøret kvartalsvis med den elektriske motstandsteknikken som er i bruk. En økning på 5 til 10 prosent indikerer sannsynlig at SSC-brudd begynner og krever rask ultralydinspeksjon. Ingeniøren bruker tegningsmetodevalg og etter-behandling for å regulere gjenværende spenningsmønstre og forhindre sulfidspenningssprekker, som er en av de vanskeligste feilmekanismene for titan sur serviceutstyr.