Как картина продольных остаточных напряжений, возникающих при вытягивании труб, влияет на склонность к сульфидному растрескиванию под напряжением в кислых средах эксплуатации?

Кислые условия эксплуатации, содержащие сероводород (H 2 S), являются одними из самых сложных условий эксплуатации металлических компонентов. Как правило, титановые сплавы устойчивы к сульфидному растрескиванию под напряжением (SSC) в отличие от углеродистых и низколегированных сталей. Однако титан может быть уязвим при определенных условиях – низком pH, высокой концентрации хлоридов, температуре выше 80 градусов и наличии растягивающих напряжений. Характер продольных остаточных напряжений, возникающих во время волочения труб, существенно влияет на восприимчивость к SSC. Оправка, протянутая через полую заготовку, уменьшает диаметр и толщину стенки при волочении трубы. Метод создает характерную картину остаточных напряжений с растягивающими напряжениями на внешней поверхности и сжимающими напряжениями на внутренней поверхности или наоборот, в зависимости от того, тянут ли трубу без внутренней оправки (потайная вытяжка) или над неподвижной оправкой. Поверхность, находящаяся под остаточным растягивающим напряжением, подвергается значительно повышенному риску возникновения SSC.

Механизм инициирования КСЭ в местах остаточного напряжения

Водородное охрупчивание, которое происходит в средах, содержащих H₂S, называется сульфидным растрескиванием под напряжением. Сероводород отравляет процесс рекомбинации водорода и загоняет атомарный водород в решетку металла. Водород, поглощенный растягивающим напряжением, диффундирует к местам концентрации трехосных напряжений, таким как границы зерен, включения или поверхностные дефекты. Водород снижает когезионную прочность границ зерен титана и вызывает меж- или транскристаллическое распространение трещин. Любые напряжения, возникающие при эксплуатации (давление, тепловое расширение, ограничения при монтаже), суммируются с остаточными растягивающими напряжениями, полученными при волочении трубы. Инициирование SSC происходит, когда сумма растягивающих напряжений достигает порогового значения (около 40–60% предела текучести титана в кислой среде). Продольное направление вызывает особую озабоченность, поскольку трещины в осевом направлении будут распространяться в направлении трубы, что приведет к катастрофическому расколу.

Количественные значения остаточных напряжений для различных методов волочения проволоки

Остаточные напряжения, измеренные методом дифракции рентгеновских лучей на трубках из титана Grade 2, выявили типичные картины продольных поверхностных напряжений:

Потопленная вытяжка (без внутренней оправки, труба уменьшена только внешними матрицами) Наружная поверхность создает остаточное растягивающее напряжение от 80 до 120 МПа. На внутренней поверхности возникают сжимающие остаточные напряжения (от 50 до 80 МПа). Внешнее воздействие H2S может вызвать SSC на растяжимой внешней поверхности.

Протяжка оправки (труба, протянутая через фиксированную внутреннюю оправку): На внешней поверхности возникает остаточное сжимающее напряжение 40–70 МПа. На внутренней поверхности создается растягивающее остаточное напряжение 100-150 МПа. Внутренняя растяжимая поверхность чувствительна к SSC из-за внутреннего воздействия H2S.

Чертеж пробки (плавающая оправка, умеренное обжатие). Сбалансированная картина остаточных напряжений с обеих сторон от 20 до 50 МПа (растяжение или сжатие в зависимости от степени обжатия). Лучше всего подходит для кислого обслуживания.

Холодное волочение + отжиг для снятия напряжений (540 градусов, 30 минут): остаточные деформации снизились до <15 МПа на обеих поверхностях независимо от процесса волочения. Хорошо подходит для серьезного кислого обслуживания.

Восприимчивость к SSC, основанная на модели остаточного напряжения

После контролируемых испытаний в растворе A NACE TM0177 (5% NaCl, 0,5% уксусная кислота, насыщенная H₂S, pH 2,7, 25 градусов) были определены следующие пороговые значения SSC:

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

Поверхностное растягивающее напряжение 30-60 МПа: время начала SSC ​​500–1000 ч. Подходит для некритического обслуживания с периодическими проверками.

Поверхностное растягивающее напряжение 60-100 МПа: время начала SSC ​​100-500 часов. Скорость распространения трещин после образования составляет от 0,1 до 0,5 мм/час.

Инициирование SSC при поверхностном растягивающем напряжении > 100 МПа в течение < 24-100 часов. Выход из строя трубы происходит через несколько недель из-за быстрого распространения трещин.

Руководство по выбору метода рисования кислого сервиса

В таблице ниже представлена ​​матрица решений для процедур вытягивания труб, основанная на серьезности кислой эксплуатации и направлении воздействия напряжения.

Условия эксплуатации в кислых средах и место воздействия H₂S Рекомендуемый метод нанесения Рисунок остаточного напряжения и снижение риска SSC
Только внешнее воздействие H₂S (трубка погружена в кислый рассол, внутренний сухой или инертный газ). Вытяжка пробки с отжигом для снятия напряжений. Наружная поверхность со сжатием или низким растяжением. Остаточное напряжение<30 MPa. Max SSC resist.
Только внутреннее воздействие H2S (серый газ внутри трубы, чистая окружающая среда снаружи) Утопление (сжатие внутренней поверхности) Сжимающее напряжение на внутренней поверхности (от 50 до 80 МПа). Растяжимая внешняя поверхность, не подвергается воздействию. Все в порядке.
Обе поверхности контактируют с H2S (трубка погружена в кислую жидкость, внутри кислый газ) Плюс затяжка затвора, полная разгрузка от натяжения Остаточное напряжение на обеих поверхностях<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Низкое парциальное давление H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Стандартная вытяжка оправки не снижает напряжения. Допускается растягивающее напряжение на внутренней поверхности из-за меньшей опасности SSC. Ежеквартальный мониторинг pH.
High H2S partial pressure (>1 psi), низкий уровень pH (<4), Temperature >Вытяжка пробки при 80°C, снятие напряжений плюс дробеструйная обработка поверхности. Дробеструйная обработка создает слой сжатия (150-200 МПа) независимо от процедуры вытяжки. Самый надежный.
За пределами проектирования остаточных напряжений -

Время распространения SSC зависит от толщины стенки, а не от начала SSC. Стенка большей толщины (1,5 мм) и с большим остаточным растягивающим напряжением (100 МПа) также может треснуть, но для прохождения трещины требуется больше времени. Диаметр трубы также важен: при одинаковом уменьшении вытяжки большие диаметры (50 мм против 20 мм) демонстрируют более высокие величины остаточного напряжения из-за более высокой дифференциальной деформации. Пороговая концентрация H2S для SSC в титане составляет около 0,01 фунта на квадратный дюйм парциального давления при 25 градусах и снижается до 0,001 фунта на квадратный дюйм при 80 градусах. Легирующие добавки в титановых сплавах Grade 7 и Grade 12 приводят к гораздо более высокой стойкости к SSC, чем в Grade 2, с более высокой устойчивостью к остаточным напряжениям на 50–100%.

Составление грамотной спецификации

Для работы в кислых средах при выборе титановой трубки нагревателя укажите необходимость измерения остаточного напряжения в репрезентативном образце методом -дифракции рентгеновских лучей или метода-сверления отверстий. Процедура изготовления: - чертеж пробки - отжиг для снятия напряжения (540 градусов, 30 минут, атмосфера аргона) Запросить подтверждение того, что продольное поверхностное остаточное напряжение меньше или равно 30 МПа (растяжение) на любой поверхности, подвергающейся воздействию H2S. Укажите титан класса 7 для работы в тяжелых кислых средах (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 градусов) независимо от остаточного напряжения, с поверхностной дробеструйной обработкой для создания сжимающего слоя. Осматривайте трубку нагревателя ежеквартально, используя метод электрического сопротивления в эксплуатации. Увеличение на 5–10 процентов указывает на вероятное начало разрушения SSC и требует быстрого ультразвукового контроля. Инженер использует выбор метода вытяжки и пост-обработку, чтобы регулировать характер остаточных напряжений и предотвратить сульфидное растрескивание под напряжением, которое является одним из наиболее сложных механизмов отказа оборудования для обслуживания кислого титана.