In che modo il modello di tensione residua longitudinale derivante dalla trafilatura dei tubi influisce sulla suscettibilità alla fessurazione da stress da solfuro in ambienti di servizio acidi?

Le condizioni di servizio acide contenenti idrogeno solforato (H 2 S) sono tra le applicazioni più impegnative per i componenti metallici. In generale, le leghe di titanio sono resistenti allo stress cracking da solfuro (SSC) rispetto agli acciai al carbonio e a bassa lega. Tuttavia, il titanio può essere vulnerabile in determinate condizioni: pH basso, elevate concentrazioni di cloruro, temperature superiori a 80 gradi e presenza di sollecitazioni di trazione. Il modello di sollecitazione residua longitudinale indotta durante la trafilatura del tubo influisce considerevolmente sulla suscettibilità alla SSC. Un mandrino tirato attraverso una billetta cava riduce il diametro e lo spessore della parete nella trafilatura del tubo. Il metodo produce un andamento caratteristico delle tensioni residue con tensioni di trazione sulla superficie esterna e tensioni di compressione sulla superficie interna o viceversa, a seconda che il tubo sia trafilato senza mandrino interno (trafilatura a tuffo) o su mandrino fisso. La superficie sottoposta a stress residuo da trazione presenta un rischio significativamente maggiore di inizio di SSC.

Meccanismo di inizio SSC nei siti di stress residuo

L’infragilimento da idrogeno, che si verifica in ambienti contenenti H₂S, è chiamato cracking da stress da solfuro. L'idrogeno solforato avvelena il processo di ricombinazione dell'idrogeno e spinge l'idrogeno atomico nel reticolo metallico. L'idrogeno assorbito sotto sollecitazione di trazione si diffonde in punti di concentrazione di sollecitazione triassiale, come bordi dei grani, inclusioni o difetti superficiali. L'idrogeno riduce la forza coesiva dei bordi dei grani del titanio e provoca la propagazione delle cricche inter- o transgranulari. Eventuali sollecitazioni esercitate in servizio (pressione, dilatazione termica, vincoli di montaggio) vengono sommate con le tensioni residue di trazione derivanti dalla trafilatura del tubo. L'inizio della SSC avviene quando la somma delle sollecitazioni di trazione raggiunge un valore soglia (circa il 40-60% del limite di snervamento per il titanio in servizio acido). La direzione longitudinale è di particolare interesse perché le crepe nella direzione assiale si propagheranno nella direzione del tubo provocando una spaccatura catastrofica.

Valori quantitativi della tensione residua per diversi metodi di trafilatura

Le tensioni residue misurate mediante diffrazione di raggi X- su tubi di titanio di grado 2 hanno rivelato tipici modelli di sollecitazione superficiale longitudinale:

Trafilatura affondata (senza mandrino interno, tubo ridotto solo da matrici esterne) La superficie esterna sviluppa una tensione residua di trazione compresa tra 80 e 120 MPa. Le tensioni residue di compressione (da 50 a 80 MPa) si formano sulla superficie interna. L'esposizione esterna all'H2S può causare SSC nella superficie esterna soggetta a trazione.

Trafilatura del mandrino (tubo trafilato su mandrino interno fisso): la superficie esterna sviluppa uno stress residuo di compressione di 40–70 MPa. Genera uno stress residuo a trazione di 100-150 MPa sulla superficie interna. La superficie tesa interna è suscettibile all'SSC a causa dell'esposizione interna all'H2S.

Trafilatura del tappo (mandrino flottante, riduzione moderata) Modello di sollecitazione residua bilanciata con entrambi i lati da 20 a 50 MPa (trazione o compressione a seconda del rapporto di riduzione). Meglio per il servizio aspro.

Trafilatura a freddo + ricottura di distensione (540 gradi, 30 min): le deformazioni residue sono diminuite a < 15 MPa su entrambe le superfici indipendentemente dal processo di trafilatura. Buono per un servizio acido e severo.

Suscettibilità SSC basata sul modello di stress residuo

A seguito di test controllati in NACE TM0177 Soluzione A (5% NaCl, 0,5% acido acetico, saturo di H₂S, pH 2,7, 25 gradi), sono state determinate le seguenti soglie SSC:

Sollecitazione di trazione superficiale<30 MPa: No SSC initiation after 1000 hours. Safe for any sour service.

Sollecitazione di trazione superficiale di 30-60 MPa: tempo di insorgenza SSC di 500-1.000 ore. Adatto per servizio non critico con ispezione periodica.

Sollecitazione di trazione superficiale 60-100 MPa: tempo di inizio SSC 100-500 ore. Una volta stabilite, le velocità di propagazione delle cricche sono comprese tra 0,1 e 0,5 mm/ora.

Inizio della SSC con sollecitazione di trazione superficiale > 100 MPa in < 24-100 h. Il guasto del tubo si verifica in poche settimane a causa della rapida propagazione della fessura.

Guida alla selezione del metodo di disegno del servizio Sour

La tabella seguente è una matrice decisionale per le procedure di trafilatura dei tubi basata sulla gravità del servizio acido e sulla direzione di esposizione allo stress.

Condizioni di servizio acide e esposizione ad H₂S Luogo di esposizione Metodo di prelievo consigliato Modello di stress residuo e Mitigazione del rischio SSC
Solo esposizione esterna a H₂S (tubo immerso in salamoia acida, gas interno secco o inerte) Trafilatura del tappo con ricottura di distensione Superficie esterna con compressione o bassa tensione. Stress residuo<30 MPa. Max SSC resist.
Solo esposizione interna a H2S (gas acido all'interno del tubo, ambiente pulito esterno) Disegno affondato (compressione della superficie interna) Sollecitazione di compressione sulla superficie interna (da 50 a 80 MPa). Superficie esterna tesa, non esposta. Va tutto bene.
Entrambe le superfici contattate da H2S (tubo immerso in liquido acido, gas acido interno) Più estrazione della spina, scarico completo della tensione Sollecitazione residua su entrambe le superfici<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Bassa pressione parziale di H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Il mandrino standard non riduce lo stress. Lo stress da trazione della superficie interna è consentito a causa del minor pericolo di SSC. Monitoraggio trimestrale del pH.
High H2S partial pressure (>1 psi), pH basso (<4), Temperature >Trafilatura a 80°C, rilascio di stress più pallinatura superficiale La pallinatura crea uno strato di compressione (150-200 MPa) indipendentemente dalla procedura di trafilatura. Molto affidabile.
Oltre l'ingegneria dello stress residuo -

Il tempo di propagazione della SSC dipende dallo spessore della parete, non dall'inizio della SSC. Anche un muro più spesso (1,5 mm) e con un elevato stress di trazione residuo (100 MPa) può rompersi, ma impiega più tempo perché la fessura possa passare. Anche il diametro del tubo è importante: a parità di riduzione dell'imbutitura, diametri maggiori (50 mm contro 20 mm) mostrano valori maggiori di tensione residua, a causa della maggiore deformazione differenziale. La concentrazione soglia di H2S per SSC nel titanio è di circa 0,01 psi di pressione parziale a 25 gradi e diminuisce a 0,001 psi a 80 gradi. Le aggiunte di lega nelle leghe di titanio di grado 7 e grado 12 determinano una resistenza SSC molto più forte rispetto al grado 2, con una tolleranza allo stress residuo maggiore del 50-100%.

Fare una specifica consapevole

Per il servizio acido, quando si specifica un tubo riscaldante in titanio, includere la necessità di misurare lo stress residuo in un campione rappresentativo mediante diffrazione di raggi X o metodo di perforazione-. Procedura di produzione: - disegno del connettore - ricottura di distensione (540 gradi, 30 minuti, atmosfera di argon) Richiedere conferma che la tensione residua della superficie longitudinale sia inferiore o uguale a 30 MPa (trazione) su qualsiasi superficie esposta a H2S. Specificare il titanio grado 7 per servizi acidi severi (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 gradi) indipendentemente dallo stress residuo, con un trattamento di pallinatura superficiale per fornire uno strato di compressione. Ispezionare il tubo del riscaldatore ogni trimestre utilizzando la tecnica della resistenza elettrica in servizio. Un aumento dal 5 al 10% indica il probabile inizio della frattura del SSC e richiede una rapida ispezione ultrasonica. L'ingegnere utilizza la selezione del metodo di disegno e la post-elaborazione per regolare i modelli di stress residuo e prevenire la rottura da stress da solfuro, che è uno dei meccanismi di guasto più difficili per le apparecchiature di servizio acido titanio.