Hvordan påvirker det langsgående restspændingsmønster fra rørtegning modtageligheden for sulfidspændingsrevner i sure servicemiljøer?

Sure driftsforhold indeholdende svovlbrinte (H 2 S) er blandt de mest udfordrende anvendelser for metalliske komponenter. Generelt er titanlegeringer modstandsdygtige over for sulfid stress cracking (SSC) i modsætning til kulstof og lavt-legeret stål. Dog kan titanium være sårbart under visse forhold - lav pH, høje kloridkoncentrationer, temperaturer over 80 grader og tilstedeværelsen af ​​trækspændinger. Mønstret af langsgående restspænding induceret under rørtrækning påvirker følsomheden over for SSC betydeligt. En dorn trukket gennem en hul barre reducerer diameteren og vægtykkelsen ved rørtrækning. Metoden frembringer et karakteristisk mønster af restspændinger med trækspændinger i den ydre overflade og trykspændinger i den indvendige overflade eller omvendt, alt efter om røret trækkes uden indvendig dorn (sænket tegning) eller over en fast dorn. Overfladen under resterende trækspænding har en signifikant øget risiko for SSC-initiering.

Mekanisme for SSC-initiering på restbelastningssteder

Brintskørhed, som forekommer i H₂S-holdige omgivelser, kaldes sulfidspændingsrevner. Hydrogensulfid forgifter hydrogenrekombinationsprocessen og driver atomart brint ind i metalgitteret. Hydrogen absorberet under trækspænding diffunderer til steder med triaksial spændingskoncentration, såsom korngrænser, indeslutninger eller overfladedefekter. Hydrogen reducerer kohæsionsstyrken af ​​titaniumkorngrænser og forårsager inter- eller transgranulær revneudbredelse. Eventuelle spændinger, der udøves under drift (tryk, termisk udvidelse, begrænsninger af montering) summeres med resterende trækspændinger fra rørtrækning. SSC-initiering sker, når summen af ​​trækspændingen når en tærskelværdi (ca. 40–60 % af flydespændingen for titanium i sur drift). Længderetningen er af særlig betydning, fordi revner i aksial retning vil forplante sig i rørretningen, hvilket resulterer i katastrofal spaltning.

Kvantitative restspændingsværdier for forskellige trådtrækningsmetoder

Restspændinger målt ved -strålediffraktion på grad 2 titaniumrør afslørede typiske langsgående overfladespændingsmønstre:

Nedsænket trækning (uden indvendig dorn, rør reduceret kun med udvendige matricer) Ydre overflade udvikler en restspænding på 80 til 120 MPa. Der opstår trykrestspændinger (50 til 80 MPa) på den indvendige overflade. Ekstern H2S-eksponering kan forårsage SSC i den strækbare ydre overflade.

Dorntrækning (rør trukket over fast indvendig dorn): Ydre overflade udvikler en restspænding på 40–70 MPa. Det genererer en restspænding på 100-150 MPa på den indre overflade. Den indre trækoverflade er modtagelig for SSC ved intern H2S-eksponering.

Stiktrækning (flydende dorn, moderat reduktion) Balanceret restspændingsmønster med begge sider på 20 til 50 MPa (træk eller tryk afhængig af reduktionsforhold). Bedst til sur service.

Koldtrækning + spændingsudglødning (540 grader, 30 min): resterende tøjninger faldt til < 15 MPa på begge overflader uafhængigt af tegneprocessen. God til svær sur service.

Restspændingsmønster baseret SSC-følsomhed

Efter kontrolleret test i NACE TM0177 opløsning A (5 % NaCl, 0,5 % eddikesyre, mættet med H₂S, pH 2,7, 25 grader), er følgende SSC-tærskelværdier blevet bestemt:

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

30-60MPa overfladetrækspænding: 500-1.000 timer SSC starttid. Velegnet til ikke-kritisk service med periodisk eftersyn.

Overfladetrækspænding 60-100 MPa: SSC starttid 100-500 timer. Revneudbredelseshastigheder er 0,1 til 0,5 mm/time, når de først er etableret.

SSC-initiering ved overfladetrækspænding > 100 MPa på < 24-100 timer. Rørsvigt opstår i løbet af få uger på grund af hurtig revneudbredelse.

Sour Service Tegnemetode Valgvejledning

Tabellen nedenfor er en beslutningsmatrix for rørtrækningsprocedurer baseret på sværhedsgraden af ​​sur service og retningen af ​​stresseksponering.

Sur servicetilstand & H₂S-eksponering Placering Anbefalet tegningsmetode Restspændingsmønster & SSC-risikoreduktion
Kun ekstern H₂S-eksponering (rør nedsænket i sur saltlage, intern tør eller inert gas) Stiktegning med afspændingsudglødning Udvendig overflade med kompression eller lav spænding. Reststress<30 MPa. Max SSC resist.
Kun intern H2S eksponering (sur gas inde i røret, rent miljø eksternt) Nedsænket tegning (indvendig overflade kompressiv) Trykspænding på den indre overflade (50 til 80 MPa). Træk udvendig overflade, ikke udsat. Det er i orden.
Begge overflader er i kontakt med H2S (rør nedsænket i sur væske, intern sur gas) Plus proptræk, fuld spændingsaflastning Restspænding på begge overflader<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Lavt H2S partialtryk (<0.1 psi), high pH (>4.5) Standard dorntræk ingen spændingslindring Indre overfladetrækspænding er tilladt på grund af mindre fare for SSC. Kvartalsvis pH-overvågning.
High H2S partial pressure (>1 psi), lav pH (<4), Temperature >80oC Plug tegning, Stress release plus overflade shot pening Shot pening skaber et lag af kompression (150-200 MPa) uanset tegneproceduren. Mest pålidelige.
Beyond Residual Stress Engineering -

SSC-udbredelsestid afhænger af vægtykkelsen, ikke af starten af ​​SSC. En væg, der er tykkere (1,5 mm) og har en stor resttrækspænding (100 MPa) kan også revne, men det tager længere tid for revnen at komme igennem. Rørdiameteren er også vigtig: For den samme trækreduktion viser større diametre (50 mm versus 20 mm) større restspændinger på grund af højere differentiel deformation. Tærsklen for H2S-koncentrationen for SSC i titanium er omkring 0,01 psi partialtryk ved 25 grader og falder til 0,001 psi ved 80 grader. Legeringstilsætninger i Grade 7 og Grade 12 titanlegeringer resulterer i langt stærkere SSC-modstand end i Grade 2, med 50-100 % højere restspændingstolerance.

At lave en kyndig specifikation

For sur service skal du, når du specificerer et titanium-varmerør, inkludere et behov for måling af resterende spænding i en repræsentativ prøve ved hjælp af røntgendiffraktion eller hul-metode. Fremstillingsprocedure: - stiktrækning - spændingsudglødning (540 grader, 30 minutter, argonatmosfære) Anmod om bekræftelse af, at den langsgående overfladeresidualspænding er mindre end eller lig med 30 MPa (trækstyrke) på enhver overflade, der er udsat for H2S. Angiv Grade 7 titanium for alvorlig sur service (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 grader) uafhængig af restspænding, med en overfladebehandling for at give et tryklag. Efterse varmerøret kvartalsvis ved hjælp af den elektriske modstandsteknik i drift. En stigning på 5 til 10 procent indikerer sandsynlig SSC-fraktur begyndelse og kræver hurtig ultralydsinspektion. Ingeniøren bruger tegnemetodevalg og efter-behandling til at regulere resterende spændingsmønstre og forhindre sulfidspændingsrevner, som er en af ​​de sværeste fejlmekanismer for titaniumsurt serviceudstyr.