Hur påverkar rördragningsreduktionsförhållandet (15 % vs. 30%) hos en sömlös titanvärmare tröskelspänningen för väte-inducerad sprickbildning vid sur service vid 60 grader?

Värmarör av sömlöst titan framställs genom dragning genom stansar, med reduktioner vanligtvis i storleksordningen 15 till 30 procent per passage. Reduktionsförhållandet bestämmer mängden kallt arbete, dislokationsdensitet och kristallografisk textur i det slutliga röret. Väte-inducerad sprickbildning (HIC) inträffar i sura servicemiljöer inklusive svavelväte (H2S) vid 60 grader när den lokala vätekoncentrationen överstiger den terminala fasta lösligheten. HIC-tröskelspänningen, dvs den lägsta dragspänningen vid vilken sprickbildning sker vid en given vätekoncentration, är direkt beroende av rörets mikrostruktur. Ökat reduktionsförhållande (30 %) leder till finare kornstorlek och högre dislokationstäthet vilket ökar väteinfångningsställena och ökar tröskelspänningen. Det lägre reduktionsförhållandet på 15 % ger större korn och färre fällor och därmed en minskning av tröskelspänningen på 40–70 MPa.

Vätgasfångning och sprickinitieringsmekanism i draget rör

I titan uppträder dislokationer, korngränser och vakanser som vätefällor. Finare korn från högre reduktionsförhållanden ger mer korngränsarea per volymenhet vilket fördelar väte jämnare och fördröjer hydridfällning. Tröskelspänningen för HIC ges av relationen σ_th=σ_0 + k × ρ_dislokationer^{0.5}, där σ_0 är den inre resistansen och ρ_dislokationer är dislokationsdensiteten. Dislokationsdensiteter är \\sim 10^{14}-10^{15} m^{-2} för 30 % reduktionsförhållande jämfört med \\sim 10^{13}-10^{14} m^{-2} för 15 % reduktion. Denna skillnad ökar σ_th med 30–50 MPa. Den kristallografiska strukturen från högre reduktionsförhållanden riktar också in korn för att motstå vätediffusion längs basala plan.

Tröskelbelastning för olika reduktionsförhållanden - Kvantitativ

HIC-tröskelspänningar för titanrör av grad 2 har bestämts genom kontrollerad testning i sur saltlösning (5 % NaCl, 0,5 % ättiksyra, mättad med H2S, pH 3,5) vid 60 grader med katodisk laddning. Med reduktionsförhållandet på 15 % (lågt kallarbete) är tröskelspänningen 120-150 MPa, vätekoncentrationen vid brott är 250-350 ppm och kornstorleken är ASTM 6-7. Med 20 % reduktion ökar tröskelspänningen till 150~180 MPa, vätekoncentrationen vid fel stiger till 300~400 ppm och kornstorleken är ASTM 7~8. Tröskelspänning vid 25 % reduktion: 170–200 MPa; koncentration vid fel: 350–450 ppm H; kornstorlek: ASTM 8–9. Tröskelspänning vid 30 % reduktion (högt kallarbete)=190-220 MPa Vätekoncentration vid brott=400-500 ppm Kornstorlek=ASTM 9-10 Däremot har helt glödgade rör med 0 % kallarbete en tröskelspänning på bara 80 till 110 MPa och en kornstorlek på ASTM 4.

Effekt av applicerad spänning och vätekoncentration på sprickbildning

Sambanden mellan den anbringade tiden till brott och spännings-vätekoncentrationen förutsägs som en funktion av reduktionsförhållandet. Vid en applicerad spänning på 100 MPa når ett rör med 15 % reduktion en kritisk vätekoncentration på 300 ppm, vilket tar cirka 1 år vid en väteabsorptionshastighet på 1 ppm/dag. Samma rör med 30 % minskning har en kritisk koncentration på 450 ppm och livslängd på 1,8 år. 15 % reduktionsröret misslyckas vid 200 ppm vätenivå vid 150 MPa applicerad stress på 7 månader, medan 30 % reduktionsröret misslyckas vid 350 ppm vätenivå på 14 månader. Röret med 15 % reduktion misslyckas snabbt med en applicerad spänning på 200 MPa och vätekoncentration under 100 ppm, medan röret med 30 % reduktion kräver 280 ppm väte och håller i 11 månader.

Reduktionsförhållande Valguide Sur service vid 140 grader F

Tabellen nedan ger vägledning om valet av rördragningsreduktionsförhållande för sömlösa värmare av grad 2 titan i sur drift med hänsyn till H 2 S partialtryck, applicerad spänning och förväntad livslängd.

H2S Partialtryck (bar) Lösning pH Maximal applicerad spänning (MPa) Rekommenderad reduktionskvot Minsta kornstorlek (ASTM) Förväntad HIC-tröskelspänning (MPa)<0.05 >4.0 <100 15–20% 6 >150 0.05–0.10 3.5–4.0 100–150 20–25% 7 >180 0.10–0.20 3.0–3.5 150–200 25–30% 8 >200 0.20–0.50 2.5–3.0 150–180 30% plus Grade 7 9 >220 >0.50 <2.5 >150 Rekommenderas inte för Grad 2 N/AN/A
Engineering Beyond the Reduction Ratio Choice

Titankvalitet har en betydande effekt på HIC-resistansen oavsett reduktionsförhållande. Palladium-stabiliserat Grad 7 har tröskelspänningar 50–100 MPa högre än Grade 2 vid samma reduktionsförhållande, tillskrivet palladium-katalyserad väterekombination. Grad 12 har en måttlig förbättring på 30-50 MPa. Glödgning efter dragning (stresslindring vid 540 grader i 30 min.) minskar dislokationsdensiteten och minskar även HIC-tröskeln. Kalldragen, utan efterföljande glödgning, är därför det rekommenderade tillståndet för röret för sur service. Tröskelspänningen är oberoende av väggtjocklek, även om den ändrar varaktigheten för sprickutbredning: en 2,0 mm vägg som innehåller en spricka kan leva längre tills perforering än en 1,2 mm vägg.

Specificera med tillförsikt

• För ett sömlöst titanvärmarrör i sur drift vid 60 grader, specificera kalldraget reduktionsförhållande på 25-30 % utan ytterligare glödgning. En minsta kornstorlek på ASTM 8 krävs, och certifiering av dislokationstätheten genom röntgendiffraktionstoppbreddningsanalys krävs. För extremt sur service med H₂S-partialtryck > 0,2 bar, specificera Grad 7 titan med 30 % reduktionsförhållande. Vätgasladdningstest på provsektionen under inkommande inspektion: ladda till 400 ppm väte, applicera sedan 80 % av specificerad sträckgräns, avvisa partiet om sprickbildning inträffar inom 100 timmar. Genom att välja ett större reduktionsförhållande på 30 % istället för 15 %, förbättrar ingenjören tröskelspänningen för väte-inducerad sprickbildning med 40–70 MPa, vilket ger en betydande säkerhetsmarginal i sura servicesituationer.