Kako vzorec vzdolžne preostale napetosti iz vlečenja cevi vpliva na dovzetnost za sulfidne napetostne razpoke v kislih delovnih okoljih?

Kisli pogoji uporabe, ki vsebujejo vodikov sulfid (H 2 S), so med najzahtevnejšimi aplikacijami za kovinske komponente. Na splošno so titanove zlitine odporne na sulfidne napetostne razpoke (SSC) v nasprotju z ogljikovimi in nizko-legiranimi jekli. Vendar je lahko titan ranljiv pod določenimi pogoji – nizek pH, visoke koncentracije kloridov, temperature nad 80 stopinj in prisotnost nateznih napetosti. Vzorec vzdolžne preostale napetosti, povzročene med vlečenjem cevi, močno vpliva na dovzetnost za SSC. Trn, povlečen skozi votlo gredico, zmanjša premer in debelino stene pri vlečenju cevi. Metoda ustvari značilen vzorec zaostalih napetosti z nateznimi napetostmi na zunanji površini in tlačnimi napetostmi na notranji površini ali obratno, odvisno od tega, ali je cev vlečena brez notranjega trna (pogreznjeno vlečenje) ali preko fiksnega trna. Površina pod natezno zaostalo napetostjo je izpostavljena znatno povečanemu tveganju za nastanek SSC.

Mehanizem iniciacije SSC na mestih preostale napetosti

Vodikova krhkost, ki se pojavi v okoljih, ki vsebujejo H₂S, se imenuje sulfidne napetostne razpoke. Vodikov sulfid zastrupi proces rekombinacije vodika in požene atomski vodik v kovinsko mrežo. Vodik, absorbiran pod natezno napetostjo, difundira na mesta koncentracije triosne napetosti, kot so meje zrn, vključki ali površinske napake. Vodik zmanjša kohezijsko trdnost mej titanovih zrn in povzroči širjenje razpok med- ali transgranularno. Vse napetosti, ki nastanejo med obratovanjem (tlak, toplotna razteznost, omejitve vgradnje), se seštejejo s preostalimi nateznimi napetostmi iz vlečenja cevi. SSC se začne, ko vsota nateznih napetosti doseže mejno vrednost (približno 40–60 % meje tečenja za titan v kisli uporabi). Vzdolžna smer je še posebej pomembna, ker se bodo razpoke v aksialni smeri širile v smeri cevi, kar bo povzročilo katastrofalne razpoke.

Kvantitativne vrednosti preostale napetosti za različne metode vlečenja žice

Preostale napetosti, izmerjene z difrakcijo rentgenskih žarkov na titanovih ceveh stopnje 2, so pokazale tipične vzdolžne vzorce površinskih napetosti:

Vlečenje (brez notranjega trna, cev zmanjšana samo z zunanjimi matricami) Zunanja površina razvije natezno preostalo napetost od 80 do 120 MPa. Na notranji površini nastanejo tlačne zaostale napetosti (50 do 80 MPa). Zunanja izpostavljenost H2S lahko povzroči SSC na natezni zunanji površini.

Risba trna (cev navlečena preko fiksnega notranjega trna): zunanja površina razvije tlačno preostalo napetost 40–70 MPa. Na notranji površini ustvarja natezno zaostalo napetost 100-150 MPa. Notranja natezna površina je dovzetna za SSC zaradi notranje izpostavljenosti H2S.

Vleka čepa (plavajoči trn, zmerna redukcija) Uravnotežen vzorec preostale napetosti z obeh strani pri 20 do 50 MPa (natezna ali tlačna, odvisno od razmerja redukcije). Najboljše za kislo postrežbo.

Hladno vlečenje + žarjenje za zmanjšanje napetosti (540 stopinj, 30 min): preostale napetosti so se zmanjšale na < 15 MPa na obeh površinah neodvisno od postopka vlečenja. Dobro za močno kislo postrežbo.

Dovzetnost za SSC na podlagi vzorca preostale napetosti

Po nadzorovanem testiranju v raztopini A NACE TM0177 (5 % NaCl, 0,5 % ocetna kislina, nasičena s H₂S, pH 2,7, 25 stopinj) so bili določeni naslednji pragovi SSC:

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

30-60MPa površinska natezna napetost: 500-1000 h SSC nastopni čas. Primeren za nekritične storitve z rednimi pregledi.

Površinska natezna napetost 60-100 MPa: SSC začetni čas 100-500 ur. Hitrost širjenja razpok je 0,1 do 0,5 mm/h, ko je enkrat vzpostavljena.

Začetek SSC pri površinski natezni napetosti > 100 MPa v < 24-100 h. Odpoved cevi se pojavi v nekaj tednih zaradi hitrega širjenja razpok.

Vodnik za izbiro metode risanja Sour Service

Spodnja tabela je matrika odločitev za postopke vlečenja cevi na podlagi resnosti kislega delovanja in smeri izpostavljenosti obremenitvi.

Kislo Delovni pogoji & Lokacija izpostavljenosti H₂S Priporočena metoda risanja Vzorec preostale napetosti & Zmanjšanje tveganja SSC
Samo zunanja izpostavljenost H₂S (cev, potopljena v kislo slanico, notranji suh ali inertni plin) Vlečenje čepa z žarjenjem za razbremenitev napetosti Zunanja površina s stiskanjem ali nizko napetostjo. Preostala napetost<30 MPa. Max SSC resist.
Samo notranja izpostavljenost H2S (kisli plin znotraj cevi, čisto okolje zunaj) Potopni vlek (tlačna notranja površina) Tlačna napetost na notranji površini (50 do 80 MPa). Natezna zunanja površina, ni izpostavljena. To je v redu.
Obe površini v stiku s H2S (cev je potopljena v kislo tekočino, notranji kisli plin) Plus vlečenje čepa, popolno razbremenitev napetosti Preostala napetost na obeh površinah<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Nizek parcialni tlak H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Standardni poteg trna brez zmanjšanja napetosti Natezna napetost notranje površine je dovoljena zaradi manjše nevarnosti SSC. Četrtletno spremljanje pH.
High H2S partial pressure (>1 psi), nizek pH (<4), Temperature >80oC Vlečenje vložka, sprostitev napetosti in površinsko vlečenje. Peeniranje ustvarja plast stiskanja (150-200 MPa) ne glede na postopek vlečenja. Najbolj zanesljiv.
Onkraj inženiringa preostalih napetosti -

Čas širjenja SSC je odvisen od debeline stene, ne od začetka SSC. Stena, ki je debelejša (1,5 mm) in ima veliko preostalo natezno napetost (100 MPa), lahko tudi poči, vendar traja dlje, da se razpoka prebije. Pomemben je tudi premer cevi: pri enakem zmanjšanju vlečenja večji premeri (50 mm v primerjavi z 20 mm) kažejo višje vrednosti preostale napetosti zaradi večje diferencialne deformacije. Mejna koncentracija H2S za SSC v titanu je okoli 0,01 psi parcialnega tlaka pri 25 stopinjah in se zmanjša na 0,001 psi pri 80 stopinjah. Legirni dodatki v titanovih zlitinah razreda 7 in razreda 12 povzročijo veliko večjo odpornost proti SSC kot v razredu 2, s 50–100 % višjo toleranco za preostale napetosti.

Izdelava strokovne specifikacije

Pri določanju grelne cevi iz titana vključite potrebo po merjenju preostale napetosti v reprezentativnem vzorcu z difrakcijo rentgenskih-žarkov ali metodo-vrtanja lukenj. Postopek izdelave: - risba čepa - žarjenje za razbremenitev napetosti (540 stopinj, 30 minut, atmosfera argona) Zahtevajte potrditev, da je vzdolžna površinska preostala napetost manjša ali enaka 30 MPa (natezna) na kateri koli površini, izpostavljeni H2S. Določite titan stopnje 7 za močno kislo uporabo (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 stopinj ), neodvisno od preostale napetosti, s površinsko obdelavo s strganjem, ki zagotavlja kompresijsko plast. Vsako četrtletje preglejte grelno cev z uporabo tehnike električnega upora med uporabo. Povečanje za 5 do 10 odstotkov kaže na verjeten začetek zloma SSC in zahteva hiter ultrazvočni pregled. Inženir uporablja izbiro metode risanja in naknadno-obdelavo za uravnavanje vzorcev preostalih napetosti in preprečevanje sulfidnih napetostnih razpok, ki je eden najtežjih mehanizmov odpovedi opreme za servisiranje kislega titana.