چگونه الگوی تنش پسماند طولی از طراحی لوله بر حساسیت به ترک خوردگی استرس سولفیدی در محیط‌های خدماتی ترش تأثیر می‌گذارد؟

شرایط سرویس ترش حاوی سولفید هیدروژن (H2S) یکی از چالش برانگیزترین کاربردها برای اجزای فلزی است. به طور کلی، آلیاژهای تیتانیوم در برابر ترک خوردگی استرس سولفیدی (SSC) در مقابل فولادهای کربنی و کم آلیاژی مقاوم هستند. با این حال، تیتانیوم می تواند تحت شرایط خاصی آسیب پذیر باشد - pH پایین، غلظت کلرید بالا، دمای بیش از 80 درجه و وجود تنش های کششی. الگوی تنش پسماند طولی القا شده در طول کشش لوله، حساسیت به SSC را به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار می دهد. سنبه ای که از میان شمش توخالی کشیده می شود، قطر و ضخامت دیواره را در طراحی لوله کاهش می دهد. این روش بسته به اینکه لوله بدون سنبه داخلی (کشش غرق شده) کشیده شود یا روی سنبه ثابت، الگوی مشخصی از تنش‌های پسماند با تنش‌های کششی در سطح بیرونی و تنش‌های فشاری در سطح داخلی یا بالعکس ایجاد می‌کند. سطح تحت تنش پسماند کششی در معرض خطر قابل توجهی برای شروع SSC است.

مکانیسم شروع SSC در مکان های استرس باقیمانده

شکنندگی هیدروژنی که در تنظیمات حاوی H2S رخ می دهد، ترک خوردگی استرس سولفیدی نامیده می شود. سولفید هیدروژن فرآیند نوترکیبی هیدروژن را مسموم می کند و هیدروژن اتمی را به داخل شبکه فلزی هدایت می کند. هیدروژن جذب شده تحت تنش کششی به مکان های غلظت تنش سه محوری مانند مرزهای دانه ها، آخال ها یا عیوب سطحی پخش می شود. هیدروژن استحکام چسبندگی مرزهای دانه تیتانیوم را کاهش می دهد و باعث انتشار ترک بین{3}} یا ترانس دانه ای می شود. هر گونه تنش اعمال شده در سرویس (فشار، انبساط حرارتی، محدودیت‌های نصب) با تنش‌های کششی پسماند حاصل از کشش لوله جمع می‌شود. شروع SSC زمانی اتفاق می‌افتد که مجموع تنش کششی به مقدار آستانه (حدود 40 تا 60 درصد استحکام تسلیم تیتانیوم در سرویس ترش) برسد. جهت طولی مورد توجه ویژه است زیرا ترک در جهت محوری در جهت لوله منتشر می شود که منجر به شکافتن فاجعه آمیز می شود.

مقادیر کمی تنش پسماند برای روش های مختلف کشش سیم

تنش‌های پسماند اندازه‌گیری شده با پراش اشعه ایکس در لوله‌های تیتانیوم درجه 2، الگوهای تنش سطحی طولی معمولی را نشان می‌دهد:

کشش غرق شده (بدون سنبه داخلی، لوله فقط با قالب های خارجی کاهش می یابد) سطح بیرونی تنش پسماند کششی 80 تا 120 مگاپاسکال ایجاد می کند. تنش های پسماند فشاری (50 تا 80 مگاپاسکال) در سطح داخلی ایجاد می شود. قرار گرفتن در معرض H2S خارجی می تواند باعث ایجاد SSC در سطح بیرونی کششی شود.

کشش سنبه (لوله کشیده شده روی سنبه داخلی ثابت): سطح بیرونی تنش پسماند فشاری 40-70 مگاپاسکال ایجاد می کند. تنش پسماند کششی 100-150 مگاپاسکال در سطح داخلی ایجاد می کند. سطح کششی داخلی با قرار گرفتن در معرض H2S داخلی به SSC حساس است.

کشش پلاگ (ماندرل شناور، کاهش متوسط) الگوی تنش پسماند متعادل با هر دو طرف در 20 تا 50 مگاپاسکال (کششی یا فشاری بسته به نسبت کاهش). بهترین برای سرویس ترش.

کشش سرد + بازپخت کاهش تنش (540 درجه، 30 دقیقه): کرنش‌های باقی‌مانده به کمتر از 15 مگاپاسکال در هر دو سطح مستقل از فرآیند کشیدن کاهش یافت. برای سرویس شدید ترش خوب است.

حساسیت SSC مبتنی بر الگوی تنش پسماند

پس از آزمایش کنترل شده در محلول A NACE TM0177 (5٪ NaCl، 0.5٪ اسید استیک، اشباع شده با H2S، pH 2.7، 25 درجه)، آستانه های SSC زیر تعیین شده است:

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

تنش کششی سطح 30-60 مگاپاسکال: زمان شروع SSC 500-1000 ساعت. مناسب برای خدمات غیر بحرانی با بازرسی دوره ای.

تنش کششی سطحی 60-100 مگاپاسکال: زمان شروع SSC 100-500 ساعت. سرعت انتشار ترک پس از ایجاد 0.1 تا 0.5 میلی متر در ساعت است.

شروع SSC در تنش کششی سطحی > 100 مگاپاسکال در کمتر از 100-24 ساعت. شکست لوله در چند هفته به دلیل انتشار سریع ترک اتفاق می افتد.

راهنمای انتخاب روش طراحی سرویس ترش

جدول زیر یک ماتریس تصمیم گیری برای روش های لوله کشی بر اساس شدت ترش سرویس و جهت قرار گرفتن در معرض استرس است.

وضعیت خدمات ترش و مکان قرار گرفتن در معرض H2S روش ترسیمی توصیه شده الگوی استرس باقیمانده و کاهش خطر SSC
فقط قرار گرفتن در معرض H2S خارجی (لوله غوطه ور در آب نمک ترش، گاز خشک داخلی یا بی اثر) پلاگین کشش با بازپخت تنش زدایی سطح بیرونی با فشار یا کشش کم. استرس پسماند<30 MPa. Max SSC resist.
فقط قرار گرفتن در معرض H2S داخلی (گاز ترش داخل لوله، محیط تمیز بیرونی)کشش غرق شده (فشار سطح داخلی) تنش فشاری در سطح داخلی (50 تا 80 مگاپاسکال). سطح بیرونی کششی، در معرض دید قرار نگرفته است. همه چیز درست است.
تماس هر دو سطح توسط H2S (لوله غوطه ور در مایع ترش، گاز ترش داخلی) به علاوه کشش پلاگین، کاهش تنش کامل تنش باقیمانده در هر دو سطح<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
فشار جزئی کم H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) کشش سنبه استاندارد بدون کاهش تنش تنش کششی سطح داخلی به دلیل خطر کمتر SSC مجاز است. پایش فصلی pH
High H2S partial pressure (>1 psi), low pH (<4), Temperature >طراحی پلاگین 80 درجه سانتیگراد، رهاسازی تنش به علاوه سطحی شدن شات، بدون توجه به روش کشیدن، لایه ای از فشرده سازی (150-200 مگاپاسکال) ایجاد می کند. قابل اعتماد ترین
فراتر از مهندسی تنش پسماند -

زمان انتشار SSC به ضخامت دیواره بستگی دارد نه به شروع SSC. دیواری که ضخیم‌تر است (1.5 میلی‌متر) و دارای تنش کششی پسماند بزرگ (100 مگاپاسکال) نیز می‌تواند ترک بخورد، اما مدت زمان بیشتری طول می‌کشد تا ترک از بین برود. قطر لوله نیز مهم است: برای کاهش کششی یکسان، قطرهای بزرگتر (50 میلی متر در مقابل 20 میلی متر) مقادیر بیشتری از تنش پسماند را نشان می دهند، به دلیل تغییر شکل دیفرانسیل بالاتر. آستانه غلظت H2S برای SSC در تیتانیوم حدود 0.01 psi فشار جزئی در 25 درجه است و به 0.001 psi در 80 درجه کاهش می یابد. افزودن‌های آلیاژی در آلیاژهای تیتانیوم درجه 7 و درجه 12 منجر به مقاومت SSC بسیار قوی‌تری نسبت به درجه 2 می‌شود، با 50 تا 100 درصد تحمل استرس پسماند بالاتر.

ساخت مشخصات آگاهانه

برای سرویس ترش، هنگام تعیین یک لوله هیتر تیتانیومی، نیاز به اندازه گیری تنش پسماند در یک نمونه معرف با روش حفاری-پراش اشعه ایکس یا سوراخ{1}} را در نظر بگیرید. روش ساخت: - کشیدن پلاگین - بازپخت تنش زدایی (540 درجه، 30 دقیقه، اتمسفر آرگون) تأیید درخواست کنید که تنش پسماند طولی سطحی کمتر یا مساوی 30 مگاپاسکال (کششی) در هر سطحی است که در معرض H2S قرار دارد. تیتانیوم درجه 7 را برای خدمات ترش شدید (pH) مشخص کنید<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 درجه) مستقل از تنش پسماند، با درمان لایه برداری سطحی برای ایجاد یک لایه فشاری. لوله بخاری را هر سه ماه با استفاده از تکنیک مقاومت الکتریکی در سرویس بازرسی کنید. افزایش 5 تا 10 درصدی نشان دهنده شروع احتمال شکستگی SSC است و نیاز به بازرسی سریع اولتراسونیک دارد. این مهندس برای تنظیم الگوهای تنش پسماند و جلوگیری از ترک خوردگی تنش سولفید، که یکی از دشوارترین مکانیسم‌های خرابی تجهیزات سرویس تیتانیوم ترش است، از انتخاب روش ترسیم و پردازش پس از{6} استفاده می‌کند.