Як картина поздовжньої залишкової напруги від тягнення труби впливає на сприйнятливість до сульфідного розтріскування під напругою в кислих робочих середовищах?

Кислі умови експлуатації, що містять сірководень (H 2 S), є одними з найскладніших застосувань для металевих компонентів. Як правило, титанові сплави стійкі до сульфідного розтріскування під напругою (SSC) на відміну від вуглецевих і низько-легованих сталей. Однак титан може бути вразливим за певних умов – низький рН, висока концентрація хлоридів, температури, що перевищують 80 градусів, і наявність напружень розтягування. Структура поздовжньої залишкової напруги, викликаної під час витягування труби, значно впливає на сприйнятливість до SSC. Оправка, протягнута крізь порожнисту заготовку, зменшує діаметр і товщину стінки труби. Метод створює характерну картину залишкових напружень із напругами розтягування на зовнішній поверхні та напругами стиску на внутрішній поверхні або навпаки, залежно від того, чи труба витягнута без внутрішньої оправки (витяжка в глибину) або через нерухому оправку. Поверхня під залишковою напругою розтягування має значно підвищений ризик виникнення SSC.

Механізм виникнення SSC у місцях залишкового напруження

Водневе окрихчення, яке виникає в середовищах, що містять H₂S, називається сульфідним розтріскуванням під напругою. Сірководень отруює процес рекомбінації водню і заганяє атомарний водень у металеву решітку. Водень, поглинений під напругою розтягування, дифундує до місць концентрації тривісного напруження, таких як межі зерен, включення або поверхневі дефекти. Водень знижує когезійну міцність меж зерен титану та спричиняє поширення між- або міжкристалічних тріщин. Будь-які напруги під час експлуатації (тиск, теплове розширення, обмеження монтажу) підсумовуються із залишковими напругами розтягування від витягування труби. Ініціювання SSC відбувається, коли сума напружень розтягування досягає порогового значення (приблизно 40–60% від межі текучості для титану в кислих умовах). Поздовжній напрямок викликає особливе занепокоєння, оскільки тріщини в осьовому напрямку будуть поширюватися в напрямку труби, що призведе до катастрофічного розколювання.

Кількісні значення залишкової напруги для різних методів волочіння дроту

Залишкові напруги, виміряні за допомогою дифракції рентгенівських променів на титанових трубках класу 2, виявили типові моделі поздовжнього поверхневого напруження:

Витяжка (без внутрішньої оправки, труба зменшена лише зовнішніми штампами) Зовнішня поверхня створює залишкову напругу розтягування від 80 до 120 МПа. На внутрішній поверхні виникають стискаючі залишкові напруги (50-80 МПа). Зовнішній вплив H2S може спричинити SSC на розтягуваній зовнішній поверхні.

Креслення оправки (трубка, натягнута на фіксовану внутрішню оправку): зовнішня поверхня створює залишкову напругу стиснення 40–70 МПа. Створює на внутрішній поверхні розтягуючу залишкову напругу 100-150 МПа. Внутрішня розтягнута поверхня чутлива до SSC через внутрішній вплив H2S.

Витяжка пробки (плаваюча оправка, помірне зменшення) Збалансована схема залишкових напружень з обох сторін від 20 до 50 МПа (розтяг або стиск залежно від коефіцієнта зменшення). Найкраще для кислої подачі.

Холодне витягування + відпал для зняття напруги (540 градусів, 30 хв): залишкові деформації зменшилися до < 15 МПа на обох поверхнях незалежно від процесу витягування. Добре підходить для суворої кислої подачі.

Структура залишкового напруження на основі сприйнятливості SSC

Після контрольованого тестування в розчині A NACE TM0177 (5% NaCl, 0,5% оцтової кислоти, насиченої H₂S, рН 2,7, 25 градусів), було визначено наступні порогові значення SSC:

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

30-Поверхневе напруження розтягування 60 МПа: час початку SSC 500-1000 год. Підходить для некритичного обслуговування з періодичним оглядом.

Поверхнева напруга розтягування 60-100 МПа: час початку SSC 100-500 годин. Швидкість поширення тріщин становить від 0,1 до 0,5 мм/год після встановлення.

Ініціювання SSC при напрузі розтягування поверхні > 100 МПа за < 24-100 год. Порушення труби відбувається через кілька тижнів через швидке поширення тріщини.

Керівництво з вибору методу креслення Sour Service

У наведеній нижче таблиці наведено матрицю рішень для процедур витягування труб на основі серйозності кислої служби та напрямку впливу напруги.

Кислий Умови експлуатації та місце впливу H₂S Рекомендований метод нанесення Схема залишкової напруги та зменшення ризику SSC
Лише зовнішній вплив H₂S (трубка занурена в кислий розсіл, внутрішній осушений або інертний газ) Витяг пробки з відпалом для зняття напруги Зовнішня поверхня зі стисненням або низьким натягом. Залишкова напруга<30 MPa. Max SSC resist.
Лише внутрішній вплив H2S (кислий газ усередині труби, чисте середовище ззовні) Витяжка (стиск внутрішньої поверхні) Напруга стиску на внутрішній поверхні (від 50 до 80 МПа). Розтяжна зовнішня поверхня, не піддається впливу. Все в порядку.
Обидві поверхні контактують з H2S (трубка занурена в кислу рідину, внутрішній кислий газ) Плюс висунення пробки, повне зняття натягу. Залишкова напруга на обох поверхнях<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Низький парціальний тиск H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Стандартна оправка не зменшує напругу. Розтягуюча напруга внутрішньої поверхні допускається через меншу небезпеку SSC. Щоквартальний рН моніторинг.
High H2S partial pressure (>1 psi), низький pH (<4), Temperature >80oC Витягування пробки, зняття напруги плюс поверхневе дробеструйне ущільнення. Дробеструйне ущільнення створює шар стиснення (150-200 МПа) незалежно від процедури витягування. Найбільш надійний.
За межами вимірювання залишкових напруг -

Час поширення SSC залежить від товщини стінки, а не від початку SSC. Стіна, яка товща (1,5 мм) і має велике залишкове напруження розтягування (100 МПа), також може тріснути, але тріщина проходить довше. Діаметр труби також важливий: для того самого зменшення витяжки, більші діаметри (50 мм проти 20 мм) показують вищу величину залишкової напруги через більшу диференціальну деформацію. Порогова концентрація H2S для SSC у титані становить близько 0,01 psi парціального тиску при 25 градусах і знижується до 0,001 psi при 80 градусах. Додавання легуючих речовин у титанові сплави Grade 7 і Grade 12 призводить до значно більшої стійкості до SSC, ніж у Grade 2, з 50–100% вищою стійкістю до залишкових напруг.

Створення обізнаної специфікації

Для небезпечних умов експлуатації при виборі титанової трубки нагрівача враховуйте необхідність вимірювання залишкової напруги в репрезентативному зразку за допомогою дифракції рентгенівських-променів або методу-свердління отворів. Виробнича процедура: - креслення заглушки - відпал для зняття напруги (540 градусів, 30 хвилин, атмосфера аргону) Вимагайте підтвердження того, що поздовжня поверхнева залишкова напруга менше або дорівнює 30 МПа (на розтяг) на будь-якій поверхні, яка піддається дії H2S. Вкажіть титан класу 7 для сильної кислої служби (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 градусів) незалежно від залишкової напруги, з поверхневою дробеструйною обробкою для створення шару стиснення. Перевіряйте трубку нагрівача щокварталу, використовуючи техніку електричного опору під час експлуатації. Збільшення від 5 до 10 відсотків вказує на ймовірний початок перелому SSC і вимагає швидкого ультразвукового огляду. Інженер використовує вибір методу креслення та пост{6}}обробку, щоб регулювати структуру залишкової напруги та запобігати розтріскуванню сульфідної напруги, що є одним із найскладніших механізмів виходу з ладу обладнання для обслуговування титану.