Как толщина стенки титановой трубки взаимодействует с присутствием сероводорода, вызывая сульфидное растрескивание под напряжением в сварных швах в нагревателе опреснителя для предварительной-обработки сырой нефти (содержит 5 % соляной промывочной воды при температуре 130 градусов)?

Конструкция титанового нагревателя для обессоливания сырой нефти - Основной компромисс
Установки для обессоливания сырой нефти впрыскивают промывную воду (5% рассола) в сырую нефть при температуре 130°С для удаления соли и твердых частиц. Рассол содержит хлориды и сероводород (H 2 S) из высокосернистой сырой нефти. Комбинация сырого-рассола предварительно нагревается в титановых трубках. Критериями сульфидного растрескивания под напряжением (SSC) являются наличие H 2 S, хлоридов, повышенная температура и остаточные деформации растяжения в сварных соединениях. SSC — это своего рода водородное охрупчивание, при котором атомарный водород в результате коррозии H2S диффундирует в титан с образованием хрупких гидридов. Толщина стенки влияет на уровень остаточных напряжений в сварных швах и градиент концентрации водорода. Чем толще стенка, тем больше остаточных напряжений от сварки (больше ограничений) и длиннее пути диффузии - сложного взаимодействия.

В этом исследовании описано влияние толщины стенки на восприимчивость к SSC в сварных соединениях при опреснительной установке.

Механизм SSC в сварных швах: влияние на механическую целостность
Titanium is progressively corroded in the presence of H₂S at 130°C: Ti + 2H_2S ->TiS_2 + 2H_2 Образующийся таким образом атомарный водород может проникать через решетку титана. Когда концентрация водорода приближается к 150–200 ppm в зоне растягивающих напряжений, на границах зерен выделяется гидрид титана (TiH2). Гидрид хрупкий и разрушается при остаточном напряжении. Особенно уязвимы к этому сварные соединения, так как при сварке в зоне термического влияния (ЗТВ) возникают остаточные растягивающие напряжения 150-250 МПа. Кроме того, ЗТВ имеет отчетливую микроструктуру — игольчатый альфа-мартенсит, который легче поглощает водород, чем основной металл.

Толщина стенки влияет на остаточное напряжение сварного шва. Для трубы определенного диаметра более толстая стенка приводит к более высокой скорости охлаждения после сварки (из-за более высокой термической массы), что увеличивает остаточное напряжение. Исследование методом конечных элементов показывает, что максимальное остаточное напряжение в ЗТВ сварного шва трубы с внешним диаметром 20 мм составляет:

Стенка 1,0 мм: 180 МПа

220 МПа для стенки 1,5 мм

Стенка 2,0 мм: 260 МПа (близко к пределу текучести)

Более высокое остаточное напряжение снижает критическую концентрацию водорода для растрескивания. Стенка толщиной 1,0 мм может выдержать 200 ppm водорода до растрескивания, тогда как стенка толщиной 2,0 мм может расколоться только при 120 ppm из-за повышенного напряжения.

Эффект тепловых характеристик: диффузия и температурный градиент
На диффузию водорода влияет перепад тепла поперек стенки. При объемной температуре 130 градусов температура внутренней поверхности стенки толщиной 1,0 мм составляет около 133 градусов для 2,0 Вт/см 2 , тогда как температура внутренней поверхности стенки толщиной 2,0 мм составляет 136 градусов. Разница в 3 градуса увеличивает коэффициент диффузии водорода примерно на 15%, тем самым незначительно ускоряя поступление водорода в более толстую стенку. Этот эффект является вторичным по отношению к дифференциалу остаточного напряжения.

Синтез компромисса-: толщина стенки и сопротивление SSC
Толщина стенки (мм) Остаточное напряжение сварного шва (МПа) Критическая концентрация H, вызывающая растрескивание (ppm) Время до достижения критического H в ЗТВ (месяцы при абсорбции 10 ppm/месяц) Риск SSC
1,0 мм 180 МПа 200 ppm 20 месяцев Умеренный
1,2 мм 195 МПа 180 ppm 18 месяцев Средняя
1,5 мм 220 МПа 150 ppm 15 месяцев. Высокая 1,8 мм 245 МПа 130 ppm 13 месяцев Высокая 2,0 мм 260 МПа 120 ppm 12 месяцев Высокая (не длится 1 год)
Более широкие стенки обычно более уязвимы к SSC, поскольку они более уязвимы к остаточным сварочным напряжениям, которые снижают необходимую концентрацию водорода для разрушения. Стена толщиной 1,0 мм имеет более высокую устойчивость к SSC, чем стена толщиной 2,0 мм.

Снятие сварочных напряжений и модернизация сплавов: инжиниринг за пределами забора
Поскольку проблема заключается в большем остаточном напряжении, отжиг для снятия напряжений (540 градусов в течение 1 часа) используется для снижения остаточного напряжения сварного шва на 70–80% независимо от толщины стенки. Стенка толщиной 2,0 мм, со снятым напряжением, имеет остаточное напряжение 50-70 МПа и очень устойчива к SSC. Однако из-за ограничений по размеру многие нагреватели-опреснители не подлежат отжигу. Для сварных нагревателей рекомендуется использовать более тонкие стенки (1,0–1,2 мм) для уменьшения остаточных напряжений. Повышение класса титана (Ti-0,3% Mo-0,8% Ni) с класса 2 до класса 12 повышает стойкость к SSC, поскольку молибден стабилизирует пассивную пленку и уменьшает поглощение водорода. Сварная труба класса 12 со стенкой 1,5 мм и без отжига имеет сопротивление SCC, аналогичное трубе класса 2 со стенкой 1,0 мм.

Вывод: более тонкая стенка (от 1,0 до 1,2 мм) предпочтительна для обеспечения стойкости к SSC в опреснительных установках.
Взаимосвязь между толщиной стенок титановых трубок в нагревателе для предварительной обработки сырой нефти с использованием 5% рассола, содержащего H2S при температуре 130 градусов, и сульфидным растрескиванием в сварных швах противоречит здравому смыслу: более толстые стенки увеличивают восприимчивость к SSC, поскольку сварка создает более высокие остаточные напряжения, которые снижают критическую концентрацию водорода для растрескивания. Риск SSC был ниже для стенки толщиной 1,0 мм с остаточным напряжением 180 МПа, чем для стенки толщиной 2,0 мм с остаточным напряжением 260 МПа, разрушенной в течение 12 месяцев. Рекомендуемым стандартом является титановая трубка класса 2 с толщиной стенки 1,0–1,2 мм,-сваренная (без отжига) с травлением после-сварки для удаления поверхностных загрязнений. Избегайте использования более толстых стенок, если не проводится отжиг для снятия напряжений после сварки. Для нагревателей для обессоливания сернистой сырой нефти необходимо измерить остаточное напряжение сварного шва (<200 MPa) or specify Grade 12 titanium for higher inherent SSC resistance. Wall thickness isn't a safety margin SSC-thinner is better.