Πώς επηρεάζει το μοτίβο διαμήκους υπολειπόμενης τάσης από τη σχεδίαση σωλήνων την ευαισθησία σε ρωγμές καταπόνησης σουλφιδίου σε όξινα περιβάλλοντα εξυπηρέτησης;

Οι όξινες συνθήκες συντήρησης που περιέχουν υδρόθειο (H 2 S) είναι από τις πιο απαιτητικές εφαρμογές για μεταλλικά εξαρτήματα. Γενικά, τα κράματα τιτανίου είναι ανθεκτικά στη διάσπαση καταπόνησης σουλφιδίου (SSC) σε αντίθεση με τους χάλυβες άνθρακα και χαμηλού κράματος-. Ωστόσο, το τιτάνιο μπορεί να είναι ευάλωτο κάτω από ορισμένες συνθήκες - χαμηλό pH, υψηλές συγκεντρώσεις χλωρίου, θερμοκρασίες άνω των 80 βαθμών και παρουσία εφελκυστικών τάσεων. Το μοτίβο της διαμήκους υπολειμματικής τάσης που προκαλείται κατά τη διάρκεια της έλξης του σωλήνα επηρεάζει σημαντικά την ευαισθησία στο SSC. Ένα μανδρέλι που τραβιέται μέσα από ένα κοίλο μπιλιέτα μειώνει τη διάμετρο και το πάχος του τοιχώματος στο σχέδιο του σωλήνα. Η μέθοδος παράγει ένα χαρακτηριστικό μοτίβο υπολειμματικών τάσεων με τάσεις εφελκυσμού στην εξωτερική επιφάνεια και θλιπτικές τάσεις στην εσωτερική επιφάνεια ή αντίστροφα, ανάλογα με το αν ο σωλήνας τραβιέται χωρίς εσωτερικό άξονα (βυθισμένο σχέδιο) ή πάνω από σταθερό άξονα. Η επιφάνεια υπό εναπομένουσα τάση εφελκυσμού διατρέχει σημαντικά αυξημένο κίνδυνο εκκίνησης SSC.

Μηχανισμός Εκκίνησης SSC σε θέσεις υπολειπόμενης καταπόνησης

Η ευθραυστότητα του υδρογόνου, η οποία συμβαίνει σε ρυθμίσεις που περιέχουν H2S, ονομάζεται ρωγμή σε τάση σουλφιδίου. Το υδρόθειο δηλητηριάζει τη διαδικασία ανασυνδυασμού του υδρογόνου και οδηγεί το ατομικό υδρογόνο στο μεταλλικό πλέγμα. Το υδρογόνο που απορροφάται υπό τάση εφελκυσμού διαχέεται σε θέσεις συγκέντρωσης τριαξονικής τάσης, όπως όρια κόκκων, εγκλείσματα ή επιφανειακά ελαττώματα. Το υδρογόνο μειώνει τη συνεκτική αντοχή των ορίων των κόκκων τιτανίου και προκαλεί διάδοση μεταξύ- ή διακοκκώδους ρωγμής. Τυχόν καταπονήσεις που ασκούνται κατά τη λειτουργία (πίεση, θερμική διαστολή, περιορισμοί στερέωσης) αθροίζονται με τις υπολειπόμενες εφελκυστικές τάσεις από το σχέδιο σωλήνων. Η εκκίνηση του SSC συμβαίνει όταν το άθροισμα της τάσης εφελκυσμού φτάσει σε μια τιμή κατωφλίου (περίπου 40–60% της αντοχής διαρροής για το τιτάνιο σε ξινή υπηρεσία). Η διαμήκης κατεύθυνση προκαλεί ιδιαίτερη ανησυχία γιατί οι ρωγμές στην αξονική κατεύθυνση θα διαδοθούν στην κατεύθυνση του σωλήνα με αποτέλεσμα την καταστροφική διάσπαση.

Ποσοτικές τιμές υπολειπόμενης τάσης για διαφορετικές μεθόδους σχεδίασης καλωδίων

Οι παραμένουσες τάσεις που μετρήθηκαν με περίθλαση ακτίνων Χ- σε σωλήνες τιτανίου Βαθμού 2 αποκάλυψαν τυπικά μοτίβα διαμήκους επιφανειακής τάσης:

Βυθισμένο σχέδιο (χωρίς εσωτερικό μανδρέλι, σωλήνας μειωμένος μόνο με εξωτερικές μήτρες) Η εξωτερική επιφάνεια αναπτύσσει υπολειμματική τάση εφελκυσμού από 80 έως 120 MPa. Συμπιεστικές παραμένουσες τάσεις (50 έως 80 MPa) εμφανίζονται στην εσωτερική επιφάνεια. Η εξωτερική έκθεση σε H2S μπορεί να προκαλέσει SSC στην εφελκυστική εξωτερική επιφάνεια.

Σχέδιο μανδρελίου (σωλήνας που τραβιέται πάνω από σταθερό εσωτερικό μανδρέλιο): Η εξωτερική επιφάνεια αναπτύσσει υπολειμματική πίεση 40–70 MPa. Δημιουργεί υπολειμματική τάση εφελκυσμού 100-150 MPa στην εσωτερική επιφάνεια. Η εσωτερική εφελκυστική επιφάνεια είναι ευαίσθητη σε SSC λόγω εσωτερικής έκθεσης H2S.

Σχεδιασμός βύσματος (πλωτός άξονας, μέτρια μείωση) Ισορροπημένο σχέδιο υπολειπόμενης τάσης και με τις δύο πλευρές στα 20 έως 50 MPa (εφελκυστικό ή θλιπτικό ανάλογα με τον λόγο μείωσης). Το καλύτερο για ξινή εξυπηρέτηση.

Ψυχρό σχέδιο + ανόπτηση ανακούφισης καταπόνησης (540 μοίρες, 30 λεπτά): οι υπολειπόμενες καταπονήσεις μειώθηκαν σε < 15 MPa και στις δύο επιφάνειες ανεξάρτητα από τη διαδικασία σχεδίασης. Καλό για σοβαρή ξινή εξυπηρέτηση.

Ευαισθησία SSC με βάση το πρότυπο υπολειπόμενης τάσης

Μετά από ελεγχόμενη δοκιμή στο διάλυμα Α NACE TM0177 (5% NaCl, 0,5% οξικό οξύ, κορεσμένο με H2S, pH 2,7, 25 βαθμοί), καθορίστηκαν τα ακόλουθα όρια SSC:

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

Επιφανειακή τάση εφελκυσμού 30-60 MPa: Χρόνος έναρξης SSC 500-1.000 h. Κατάλληλο για μη κρίσιμη εξυπηρέτηση με περιοδική επιθεώρηση.

Επιφανειακή τάση εφελκυσμού 60-100 MPa: Χρόνος έναρξης SSC 100-500 ώρες. Οι ρυθμοί διάδοσης της ρωγμής είναι 0,1 έως 0,5 mm/hr μόλις δημιουργηθούν.

Έναρξη SSC σε επιφανειακή εφελκυστική τάση > 100 MPa σε < 24-100 ώρες. Η αστοχία του σωλήνα συμβαίνει σε λίγες εβδομάδες λόγω της ταχείας διάδοσης της ρωγμής.

Οδηγός επιλογής μεθόδου σχεδίασης ξινής υπηρεσίας

Ο παρακάτω πίνακας είναι ένας πίνακας αποφάσεων για τις διαδικασίες σχεδίασης σωλήνων με βάση τη σοβαρότητα της ξινής λειτουργίας και την κατεύθυνση της έκθεσης στο στρες.

Κατάσταση ξινής υπηρεσίας & Θέση έκθεσης H₂S Προτεινόμενη μέθοδος σχεδίασης Μοτίβο υπολειπόμενης πίεσης & Μετριασμός κινδύνου SSC
Μόνο εξωτερική έκθεση H2S (σωλήνας βυθισμένος σε ξινή άλμη, εσωτερικό ξηρό ή αδρανές αέριο) Σχέδιο βύσματος με ανόπτηση ανακούφισης τάσης Εξωτερική επιφάνεια με συμπίεση ή χαμηλή τάση. Υπολειμματική καταπόνηση<30 MPa. Max SSC resist.
Μόνο εσωτερική έκθεση H2S (όξινα αέρια μέσα στο σωλήνα, καθαρό περιβάλλον εξωτερικό) Βυθισμένο σχέδιο (συμπιεστική εσωτερική επιφάνεια) Συμπιεστική τάση στην εσωτερική επιφάνεια (50 έως 80 MPa). Ελαστική εξωτερική επιφάνεια, μη εκτεθειμένη. Δεν πειράζει.
Και οι δύο επιφάνειες έρχονται σε επαφή με H2S (σωλήνας βυθισμένος σε ξινό υγρό, εσωτερικό ξινό αέριο) Επιπλέον έλξη βύσματος, πλήρης ανακούφιση από τάση Υπολειμματική πίεση και στις δύο επιφάνειες<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Χαμηλή μερική πίεση H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Κανονική έλξη ατράκτου χωρίς ανακούφιση καταπόνησης Επιτρέπεται η τάση εφελκυσμού της εσωτερικής επιφάνειας λόγω μικρότερου κινδύνου SSC. Τριμηνιαία παρακολούθηση pH.
High H2S partial pressure (>1 psi), χαμηλό pH (<4), Temperature >80oC Σχεδιασμός βύσματος, απελευθέρωση τάσεων συν επιφανειακή βολή Το ξεφλούδισμα βολής δημιουργεί ένα στρώμα συμπίεσης (150-200 MPa) ανεξάρτητα από τη διαδικασία σχεδίασης. Το πιο αξιόπιστο.
Πέρα από τη Μηχανική Υπολειμματικής Καταπόνησης -

Ο χρόνος διάδοσης του SSC εξαρτάται από το πάχος του τοιχώματος και όχι από την έναρξη του SSC. Ένας τοίχος που είναι παχύτερος (1,5 mm) και έχει μεγάλη υπολειμματική τάση εφελκυσμού (100 MPa) μπορεί επίσης να ραγίσει, αλλά χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να περάσει η ρωγμή. Η διάμετρος του σωλήνα είναι επίσης σημαντική: για την ίδια μείωση σχεδίασης, μεγαλύτερες διάμετροι (50 mm έναντι 20 mm) δείχνουν υψηλότερα μεγέθη υπολειμματικής τάσης, λόγω υψηλότερης διαφορικής παραμόρφωσης. Το κατώφλι συγκέντρωσης H2S για SSC στο τιτάνιο είναι περίπου 0,01 psi μερική πίεση στους 25 βαθμούς και μειώνεται σε 0,001 psi στους 80 βαθμούς. Οι προσθήκες κράματος στα κράματα τιτανίου Βαθμού 7 και Βαθμού 12 έχουν ως αποτέλεσμα πολύ ισχυρότερη αντίσταση SSC από ό,τι στον βαθμό 2, με 50–100% υψηλότερη ανοχή στην υπολειμματική τάση.

Κάνοντας μια ενημερωμένη προδιαγραφή

Για ξινή υπηρεσία, κατά τον καθορισμό ενός σωλήνα θερμαντήρα τιτανίου, συμπεριλάβετε την ανάγκη για μέτρηση της υπολειπόμενης τάσης σε ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα με τη μέθοδο διάτρησης ακτίνων Χ{-ή οπής-. Διαδικασία κατασκευής: - τράβηγμα βύσματος - ανόπτηση ανακούφισης καταπόνησης (540 μοίρες, 30 λεπτά, ατμόσφαιρα αργού) Ζητήστε επιβεβαίωση ότι η διαμήκης επιφανειακή υπολειμματική τάση είναι μικρότερη ή ίση με 30 MPa (ελκυστική) σε οποιαδήποτε επιφάνεια εκτίθεται σε H2S. Καθορίστε το τιτάνιο Βαθμού 7 για σοβαρή ξινίλα (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 μοίρες ) ανεξάρτητα από την υπολειπόμενη τάση, με επεξεργασία επιφανειακής βολής για την παροχή συμπιεστικού στρώματος. Επιθεωρείτε το σωλήνα του θερμαντήρα ανά τρίμηνο χρησιμοποιώντας την τεχνική ηλεκτρικής αντίστασης σε υπηρεσία. Μια αύξηση από 5 έως 10 τοις εκατό υποδηλώνει πιθανή έναρξη κατάγματος SSC και απαιτεί ταχεία επιθεώρηση με υπερήχους. Ο μηχανικός χρησιμοποιεί επιλογή μεθόδου σχεδίασης και μετα{6}}επεξεργασία για να ρυθμίσει τα μοτίβα υπολειπόμενης τάσης και να αποτρέψει τη ρηγμάτωση της τάσης σουλφιδίου, που είναι ένας από τους πιο δύσκολους μηχανισμούς αστοχίας για τον εξοπλισμό σέρβις από τιτάνιο.