W jaki sposób wzór naprężeń podłużnych szczątkowych z rysunku rury wpływa na podatność na pękanie naprężeniowe siarczkowe w środowiskach o kwaśnej atmosferze?

Kwaśne warunki pracy zawierające siarkowodór (H2S) należą do najtrudniejszych zastosowań komponentów metalowych. Generalnie stopy tytanu są odporne na pękanie naprężeniowe siarczkowe (SSC) w przeciwieństwie do stali węglowych i stali nisko-stopowych. Jednakże tytan może być wrażliwy w pewnych warunkach – niskim pH, wysokim stężeniu chlorków, temperaturach przekraczających 80 stopni i obecności naprężeń rozciągających. Układ podłużnych naprężeń szczątkowych wywołanych podczas ciągnienia rur znacząco wpływa na podatność na SSC. Trzpień przeciągnięty przez pusty kęs zmniejsza średnicę i grubość ścianki podczas ciągnienia rur. W wyniku tej metody uzyskuje się charakterystyczny układ naprężeń własnych z naprężeniami rozciągającymi na powierzchni zewnętrznej i ściskającymi na powierzchni wewnętrznej lub odwrotnie, w zależności od tego, czy rura jest ciągniona bez trzpienia wewnętrznego (ciągnienie wpuszczane), czy na trzpieniu stałym. Powierzchnia poddana naprężeniom szczątkowym rozciągającym jest obarczona znacznie zwiększonym ryzykiem inicjacji SSC.

Mechanizm inicjacji SSC w miejscach naprężeń szczątkowych

Kruchość wodorowa, która występuje w układach zawierających H₂S, nazywana jest pękaniem naprężeniowym siarczkowym. Siarkowodór zatruwa proces rekombinacji wodoru i wprowadza wodór atomowy do siatki metalowej. Wodór wchłonięty pod naprężeniem rozciągającym dyfunduje do miejsc trójosiowej koncentracji naprężeń, takich jak granice ziaren, wtrącenia lub defekty powierzchniowe. Wodór zmniejsza wytrzymałość kohezyjną granic ziaren tytanu i powoduje propagację pęknięć między- lub transkrystalicznymi. Wszelkie naprężenia wywierane podczas pracy (ciśnienie, rozszerzalność cieplna, ograniczenia montażu) sumuje się ze szczątkowymi naprężeniami rozciągającymi wynikającymi z ciągnienia rury. Inicjacja SSC następuje, gdy suma naprężeń rozciągających osiąga wartość progową (około 40–60% granicy plastyczności dla tytanu w stanie kwaśnym). Szczególną uwagę należy zwrócić na kierunek wzdłużny, ponieważ pęknięcia w kierunku osiowym będą rozprzestrzeniać się w kierunku rury, powodując katastrofalne rozszczepienie.

Ilościowe wartości naprężeń szczątkowych dla różnych metod ciągnienia drutu

Naprężenia szczątkowe zmierzone za pomocą-dyfrakcji promieni rentgenowskich na rurkach tytanowych klasy 2 ujawniły typowe wzdłużne wzorce naprężeń powierzchniowych:

Ciągnienie wpuszczane (bez trzpienia wewnętrznego, rura zredukowana tylko za pomocą zewnętrznych matryc) Na powierzchni zewnętrznej powstają naprężenia szczątkowe rozciągające o wartości od 80 do 120 MPa. Na powierzchni wewnętrznej powstają naprężenia ściskające (50 do 80 MPa). Zewnętrzne narażenie na H2S może powodować SSC na rozciąganej powierzchni zewnętrznej.

Ciągnienie trzpienia (rura naciągnięta na nieruchomy trzpień wewnętrzny): Na powierzchni zewnętrznej powstają naprężenia szczątkowe ściskające o wartości 40–70 MPa. Wytwarza na wewnętrznej powierzchni naprężenia rozciągające o wartości 100-150 MPa. Wewnętrzna powierzchnia rozciągana jest podatna na SSC w wyniku wewnętrznego narażenia na H2S.

Ciągnienie czopa (pływający trzpień, umiarkowana redukcja) Zrównoważony rozkład naprężeń szczątkowych po obu stronach przy 20 do 50 MPa (rozciąganie lub ściskanie w zależności od stopnia redukcji). Najlepsze do kwaśnych dań.

Ciągnienie na zimno + wyżarzanie odprężające (540 stopni, 30 min): odkształcenia szczątkowe spadły do ​​< 15 MPa na obu powierzchniach, niezależnie od procesu ciągnienia. Dobre do ciężkiej, kwaśnej obsługi.

Podatność na SSC w oparciu o wzór naprężeń szczątkowych

Po kontrolowanych testach w roztworze A NACE TM0177 (5% NaCl, 0,5% kwas octowy, nasycony H₂S, pH 2,7, 25 stopni) określono następujące progi SSC:

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

Naprężenie rozciągające powierzchniowe 30-60 MPa: 500–1000 godzin czasu rozpoczęcia SSC. Nadaje się do zastosowań niekrytycznych z okresowymi przeglądami.

Naprężenie rozciągające powierzchni 60-100 MPa: Czas rozpoczęcia SSC 100-500 godzin. Po ustaleniu szybkość propagacji pęknięć wynosi od 0,1 do 0,5 mm/h.

Inicjacja SSC przy powierzchniowym naprężeniu rozciągającym > 100 MPa w czasie < 24-100 h. Awaria rury następuje w ciągu kilku tygodni z powodu szybkiego rozprzestrzeniania się pęknięć.

Przewodnik po wyborze metody rysowania usługi Sour Service

Poniższa tabela przedstawia macierz decyzyjną dotyczącą procedur ciągnienia rur w oparciu o stopień ciężkości pracy i kierunek narażenia na naprężenia.

Kwaśne warunki użytkowania i miejsce narażenia na H₂S Zalecana metoda rysowania Wzór naprężeń szczątkowych i ograniczanie ryzyka SSC
Tylko zewnętrzna ekspozycja na H₂S (rura zanurzona w kwaśnej solance, wewnątrz suchym lub obojętnym gazie) Ciągnienie korka z wyżarzaniem odprężającym Powierzchnia zewnętrzna poddana ściskaniu lub niskiemu naprężeniu. Stres resztkowy<30 MPa. Max SSC resist.
Tylko wewnętrzna ekspozycja na H2S (kwaśny gaz wewnątrz rury, czyste środowisko na zewnątrz) Ciągnienie wgłębne (ściskanie powierzchni wewnętrznej) Naprężenie ściskające na powierzchni wewnętrznej (50 do 80 MPa). Rozciągliwa powierzchnia zewnętrzna, nieodkryta. W porządku.
Obie powierzchnie stykające się z H2S (rura zanurzona w kwaśnej cieczy, wewnątrz kwaśny gaz) Plus wyciągnięcie wtyczki, pełne odciążenie Naprężenia szczątkowe na obu powierzchniach<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Niskie ciśnienie cząstkowe H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Standardowy naciąg trzpienia bez zmniejszania naprężeń Dopuszczalne jest naprężenie rozciągające na wewnętrznej powierzchni ze względu na mniejsze ryzyko SSC. Kwartalny monitoring pH.
High H2S partial pressure (>1 psi), niskie pH (<4), Temperature >80oC Ciągnienie korka, odprężanie i śrutowanie powierzchniowe. Kuleczkowanie tworzy warstwę ściskaną (150-200 MPa) niezależnie od procedury ciągnienia. Najbardziej niezawodny.
Więcej niż inżynieria naprężeń szczątkowych -

Czas propagacji SSC zależy od grubości ścianki, a nie od początku SSC. Ściana, która jest grubsza (1,5 mm) i ma duże szczątkowe naprężenie rozciągające (100 MPa), również może pęknąć, ale pęknięcie zajmuje więcej czasu. Ważna jest również średnica rury: przy tej samej redukcji ciągnienia, większe średnice (50 mm w porównaniu z 20 mm) wykazują większe wartości naprężeń szczątkowych ze względu na większe odkształcenia różnicowe. Progowe stężenie H2S dla SSC w tytanie wynosi około 0,01 psi ciśnienia cząstkowego przy 25 stopniach i spada do 0,001 psi przy 80 stopniach. Dodatki stopowe w stopach tytanu klasy 7 i 12 powodują znacznie większą odporność na SSC niż w klasie 2, przy 50–100% wyższej tolerancji naprężeń szczątkowych.

Sporządzanie świadomej specyfikacji

W przypadku zastosowań kwaśnych, przy wyborze tytanowej rurki grzejnej należy uwzględnić potrzebę pomiaru naprężenia szczątkowego w reprezentatywnej próbce metodą-dyfrakcji promieni rentgenowskich lub metodą-wiercenia otworów. Procedura produkcyjna: - rysowanie wtyczki - wyżarzanie odprężające (540 stopni, 30 minut, atmosfera argonu) Poproś o potwierdzenie, że naprężenie szczątkowe na powierzchni wzdłużnej jest mniejsze lub równe 30 MPa (rozciąganie) na dowolnej powierzchni wystawionej na działanie H2S. Określ tytan klasy 7 dla mocno kwaśnych usług (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 stopni) niezależnie od naprężeń szczątkowych, z obróbką śrutowania powierzchniowego w celu zapewnienia warstwy ściskającej. Sprawdzaj rurę grzejną co kwartał, stosując w trakcie eksploatacji technikę oporności elektrycznej. Wzrost o 5 do 10 procent wskazuje na prawdopodobny początek pęknięcia SSC i wymaga szybkiej kontroli ultradźwiękowej. Inżynier wykorzystuje wybór metody rysowania i obróbkę końcową-, aby regulować wzorce naprężeń szczątkowych i zapobiegać pękaniu naprężeniowym siarczkowym, które jest jednym z najtrudniejszych mechanizmów awarii sprzętu do pracy w środowisku kwaśnym tytanu.