Hur påverkar det longitudinella restspänningsmönstret från rördragning känsligheten för sulfidspänningssprickor i sura servicemiljöer?

Sura driftförhållanden som innehåller svavelväte (H 2 S) är bland de mest utmanande applikationerna för metallkomponenter. Generellt är titanlegeringar resistenta mot sulfidspänningssprickning (SSC) i motsats till kol och låg-legerade stål. Emellertid kan titan vara sårbart under vissa förhållanden – lågt pH, höga kloridkoncentrationer, temperaturer över 80 grader och förekomsten av dragspänningar. Mönstret av longitudinell restspänning som induceras under rördragning påverkar känsligheten för SSC avsevärt. En dorn som dras genom ett ihåligt ämne minskar diametern och väggtjockleken vid rördragning. Metoden ger ett karakteristiskt mönster av restspänningar med dragspänningar i den yttre ytan och tryckspänningar i den inre ytan eller vice versa, beroende på om röret dras utan invändig dorn (sänkt dragning) eller över en fast dorn. Ytan under kvarvarande dragspänning löper en signifikant ökad risk för SSC-initiering.

Mekanism för SSC-initiering vid återstående stressplatser

Väteförsprödning, som förekommer i H₂S-innehållande inställningar, kallas sulfidspänningssprickning. Vätesulfid förgiftar väterekombinationsprocessen och driver in atomärt väte i metallgittret. Väte som absorberas under dragspänning diffunderar till platser med triaxiell spänningskoncentration, såsom korngränser, inneslutningar eller ytdefekter. Väte minskar kohesionshållfastheten hos titankorngränser och orsakar inter- eller transgranulär sprickförökning. Eventuella spänningar som utövas under drift (tryck, termisk expansion, begränsningar av montering) summeras med kvarvarande dragspänningar från rördragning. SSC-initiering sker när summan av dragspänningen når ett tröskelvärde (ca 40–60 % av sträckgränsen för titan i sur tjänst). Längdriktningen är av särskilt intresse eftersom sprickor i axiell riktning kommer att fortplanta sig i rörriktningen, vilket resulterar i en katastrofal splittring.

Kvantitativa restspänningsvärden för olika tråddragningsmetoder

Restspänningar mätta med röntgendiffraktion på titanrör av grad 2 visade typiska längsgående ytspänningsmönster:

Nedsänkt dragning (utan invändig dorn, rör reducerat endast med externa stansar) Yttre yta utvecklar en restspänning på 80 till 120 MPa. Kompressionsrestspänningar (50 till 80 MPa) uppstår på insidan. Extern H2S-exponering kan orsaka SSC i den draghållfasta yttre ytan.

Dorndragning (rör draget över fast invändig dorn): Yttre yta utvecklar en tryckrestspänning på 40–70 MPa. Den genererar restspänningar på 100-150 MPa på den inre ytan. Den inre dragytan är känslig för SSC genom intern H2S-exponering.

Pluggdragning (flytande dorn, måttlig reduktion) Balanserat restspänningsmönster med båda sidor på 20 till 50 MPa (drag eller tryck beroende på reduktionsförhållande). Bäst för sur service.

Kalldragning + avspänningsglödgning (540 grader, 30 min): kvarvarande töjningar minskade till < 15 MPa på båda ytorna oberoende av dragprocessen. Bra för svår sur service.

Restspänningsmönsterbaserad SSC-känslighet

Efter kontrollerad testning i NACE TM0177 lösning A (5 % NaCl, 0,5 % ättiksyra, mättad med H₂S, pH 2,7, 25 grader), har följande SSC-tröskelvärden bestämts:

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

30-60 MPa ytdragspänning: 500-1 000 h SSC starttid. Lämplig för icke-kritisk service med periodisk inspektion.

Ytdragspänning 60-100 MPa: SSC starttid 100-500 timmar. Sprickutbredningshastigheter är 0,1 till 0,5 mm/h när de väl har etablerats.

SSC-initiering vid ytdragspänning > 100 MPa på < 24-100 timmar. Rörfel inträffar inom några veckor på grund av snabb sprickutbredning.

Sur Service Ritningsmetod Valguide

Tabellen nedan är en beslutsmatris för rördragningsprocedurer baserad på svårighetsgraden av sur service och riktningen för stressexponeringen.

Sur servicetillstånd & H₂S-exponering Plats Rekommenderad ritningsmetod Restspänningsmönster & SSC-riskreducering
Extern H₂S-exponering endast (rör nedsänkt i sur saltlösning, intern torr eller inert gas) Pluggdragning med avspänningsglödgning Yttre yta med kompression eller låg spänning. Kvarstående stress<30 MPa. Max SSC resist.
Endast intern H2S-exponering (sur gas inuti röret, ren miljö extern) Nedsänkt dragning (invändig yta kompressiv) Tryckspänning på den inre ytan (50 till 80 MPa). Dragfast yttre yta, ej exponerad. Det är okej.
Båda ytorna kommer i kontakt med H2S (rör nedsänkt i sur vätska, inre sur gas) Plus pluggdragning, full spänningsavlastning Kvarvarande spänning på båda ytorna<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Lågt H2S partialtryck (<0.1 psi), high pH (>4.5) Standard dorndragning ingen spänningslindring Inre ytdragspänning är tillåten på grund av mindre risk för SSC. Kvartalsvis pH-övervakning.
High H2S partial pressure (>1 psi), lågt pH (<4), Temperature >80oC Pluggritning, Stress release plus ytkulblästringShot pening skapar ett lager av kompression (150-200 MPa) oberoende av ritningsproceduren. Mest pålitlig.
Beyond Residual Stress Engineering -

SSC-utbredningstid beror på väggtjocklek, inte på början av SSC. En vägg som är tjockare (1,5 mm) och har stor kvarvarande dragspänning (100 MPa) kan också spricka, men det tar längre tid för sprickan att komma igenom. Rördiametern är också viktig: för samma dragningsreduktion visar större diametrar (50 mm mot 20 mm) högre restspänningar på grund av högre differentiell deformation. Tröskelvärdet för H2S-koncentrationen för SSC i titan är runt 0,01 psi partialtryck vid 25 grader och minskar till 0,001 psi vid 80 grader. Legeringstillägg i Grade 7 och Grade 12 titanlegeringar resulterar i mycket starkare SSC-beständighet än i Grade 2, med 50–100 % högre restspänningstolerans.

Att göra en kunnig specifikation

För sur service, när du anger ett värmerör av titan, inkludera ett behov av mätning av kvarvarande spänning i ett representativt prov med röntgendiffraktion eller hål-metod. Tillverkningsprocedur: - pluggdragning - avspänningsglödgning (540 grader, 30 minuter, argonatmosfär) Begär bekräftelse på att den längsgående ytrestspänningen är mindre än eller lika med 30 MPa (draghållfasthet) på alla ytor som exponeras för H2S. Ange grad 7 titan för svår sur service (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 grader) oberoende av kvarvarande spänning, med en kulblästringsbehandling för att ge ett tryckskikt. Inspektera värmeröret kvartalsvis med den elektriska motståndstekniken som används. En ökning med 5 till 10 procent indikerar sannolikt att SSC-fraktur börjar och kräver snabb ultraljudsinspektion. Ingenjören använder val av ritningsmetod och efter-bearbetning för att reglera kvarvarande spänningsmönster och förhindra sulfidspänningssprickor, vilket är en av de svåraste felmekanismerna för titan sur serviceutrustning.