Hvordan påvirker rørtrækningsreduktionsforholdet (15 % vs. 30%) af en sømløs titaniumvarmer tærskelspændingen for hydrogen-induceret revnedannelse i sur service ved 60 grader?

Varmerør af sømløst titanium fremstilles ved at trække gennem matricer, med reduktioner normalt i størrelsesordenen 15 til 30 procent pr. passage. Reduktionsforholdet bestemmer mængden af ​​koldt arbejde, dislokationstæthed og krystallografisk tekstur i det endelige rør. Hydrogen-induceret krakning (HIC) forekommer i sure servicemiljøer, herunder hydrogensulfid (H2S) ved 60 grader, når den lokale brintkoncentration overstiger den terminale faststofopløselighed. HIC-tærskelspændingen, dvs. den laveste trækspænding, ved hvilken revnedannelse sker ved en given brintkoncentration, er direkte afhængig af rørets mikrostruktur. Øget reduktionsforhold (30%) fører til finere kornstørrelse og højere dislokationstæthed, hvilket øger brintfangststederne og øger tærskelspændingen. Det lavere reduktionsforhold på 15 % resulterer i større korn og færre fælder og dermed en reduktion af tærskelspændingen på 40-70 MPa.

Brintfangst og revneinitieringsmekanisme i trukket rør

I titanium opfører forskydninger, korngrænser og ledige stillinger sig som brintfælder. Finere korn fra højere reduktionsforhold giver mere korngrænseareal pr. volumenenhed, hvilket fordeler brint mere jævnt og forsinker hydridudfældning. Tærskelspændingen for HIC er givet af relationen σ_th=σ_0 + k × ρ_dislokationer^{0.5}, hvor σ_0 er den indre modstand og ρ_dislokationer er dislokationstætheden. Dislokationstætheder er \\sim 10^{14}-10^{15} m^{-2} for 30 % reduktionsforhold mod \\sim 10^{13}-10^{14} m^{-2} for 15 % reduktion. Denne forskel øger σ_th med 30-50 MPa. Den krystallografiske struktur fra højere reduktionsforhold justerer også korn for at modstå hydrogendiffusion langs basalplaner.

Tærskelbelastning for forskellige reduktionsforhold - Kvantitativ

HIC-tærskelspændinger for grad 2 titaniumrør er blevet bestemt ved kontrolleret testning i sur saltlage (5 % NaCl, 0,5 % eddikesyre, mættet med H2S, pH 3,5) ved 60 grader med katodisk opladning. Med reduktionsforholdet på 15 % (lavt koldt arbejde) er tærskelspændingen 120-150 MPa, brintkoncentrationen ved svigt er 250-350 ppm, og kornstørrelsen er ASTM 6-7. Med 20 % reduktion stiger tærskelspændingen til 150~180 MPa, brintkoncentrationen ved svigt stiger til 300~400 ppm, og kornstørrelsen er ASTM 7~8. Tærskelspænding ved 25 % reduktion: 170–200 MPa; koncentration ved svigt: 350–450 ppm H; kornstørrelse: ASTM 8–9. Tærskelspænding ved 30 % reduktion (højt koldt arbejde)=190-220 MPa Hydrogenkoncentration ved fejl=400-500 ppm Kornstørrelse=ASTM 9-10 I modsætning hertil har fuldt udglødede rør med 0 % koldt arbejde en tærskelspænding på kun 80 til 110 MPa og en kornstørrelse på ASTM 4.

Effekt af påført stress og brintkoncentration på revner

Forholdet mellem den anvendte tid til svigt og stress-brintkoncentrationen forudsiges som en funktion af reduktionsforholdet. Ved en påført belastning på 100 MPa når et rør med 15 % reduktion en kritisk brintkoncentration på 300 ppm, hvilket tager omkring 1 år ved en brintabsorptionshastighed på 1 ppm/dag. Det samme rør med en reduktion på 30 % har en kritisk koncentration på 450 ppm og en levetid på 1,8 år. 15 % reduktionsrøret fejler ved 200 ppm brintniveau ved 150 MPa påført stress på 7 måneder, mens 30 % reduktionsrøret fejler ved 350 ppm brintniveau på 14 måneder. Røret med 15 % reduktion fejler hurtigt med en påført belastning på 200 MPa og brintkoncentration under 100 ppm, hvorimod røret med 30 % reduktion kræver 280 ppm brint og holder i 11 måneder.

Vejledning til valg af reduktionsforhold Sur service ved 140 grader F

Tabellen nedenfor giver vejledning om valg af rørtrækningsreduktionsforhold for grad 2 titanium sømløse varmelegemer i sur drift under hensyntagen til H 2 S partialtryk, påført belastning og forventet levetid.

H2S Partialtryk (bar) Opløsning pH Maksimal påført belastning (MPa) Anbefalet reduktionsforhold Minimum kornstørrelse (ASTM) Forventet HIC-tærskelspænding (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 Anbefales ikke til Grade 2 N/AN/A
Engineering Beyond the Reduction Ratio Choice

Titanium kvalitet har en væsentlig effekt på HIC modstand uanset reduktionsforhold. Palladium-stabiliseret Grade 7 har tærskelspændinger 50-100 MPa højere end Grade 2 ved samme reduktionsforhold, tilskrevet palladium-katalyseret hydrogenrekombination. Grad 12 har moderat forbedring på 30-50 MPa. Udglødning efter tegning (stresslindring ved 540 grader i 30 min.) reducerer dislokationstætheden og reducerer også HIC-tærsklen. Koldttrukket, uden efterfølgende udglødning, er derfor den anbefalede tilstand af rør til sur service. Tærskelspændingen er uafhængig af vægtykkelsen, selvom den ændrer varigheden af ​​brududbredelsen: en 2,0 mm væg med en revne kan leve længere indtil perforering end en 1,2 mm væg.

Angiv med tillid

• Angiv koldttrukket reduktionsforhold på 25-30 % for sømløst titanium-varmerør i sur drift ved 60 grader uden yderligere udglødning. En minimumskornstørrelse på ASTM 8 er påkrævet, og certificering af dislokationstæthed ved røntgenstrålediffraktionsspidsudvidelsesanalyse er påkrævet. For ekstrem sur service med H₂S-partialtryk > 0,2 bar, specificer Grade 7 titanium med 30 % reduktionsforhold. Hydrogenladningstest på prøvesektionen under indgående inspektion: opladning til 400 ppm brint, påfør derefter 80 % af den specificerede flydespænding, afvis partiet, hvis revnedannelse forekommer inden for 100 timer. Ved at vælge et større reduktionsforhold på 30 % i stedet for 15 %, forbedrer ingeniøren tærskelspændingen for brint-induceret revnedannelse med 40-70 MPa, hvilket tilføjer en betydelig sikkerhedsmargin i sure servicesituationer.