In un riscaldatore dissalatore per il pretrattamento- del petrolio greggio (contiene il 5% di acqua di lavaggio con salamoia a 130 gradi), in che modo lo spessore della parete del tubo di titanio interagisce con la presenza di idrogeno solforato per causare fessurazioni da stress da solfuro nelle saldature?

Design del riscaldatore in titanio per il servizio di dissalatore greggio - Il compromesso di base
I dissalatori del petrolio greggio iniettano acqua di lavaggio (salamoia al 5%) nel petrolio greggio a 130 C per rimuovere sale e particolato. La salamoia comprende cloruri e idrogeno solforato (H 2 S) dal petrolio greggio acido. La combinazione di salamoia grezza- viene preriscaldata in tubi di titanio. I criteri per la rottura da stress da solfuro (SSC) sono la presenza di H 2 S, cloruri, aumento della temperatura e deformazioni di trazione residue sui giunti saldati. L'SSC è una sorta di infragilimento da idrogeno in cui l'idrogeno atomico derivante dalla corrosione dell'H2S si diffonde nel titanio per formare idruri fragili. Lo spessore della parete influisce sul livello di tensione residua nelle saldature e sul gradiente di concentrazione dell'idrogeno. Più spessa è la parete, maggiori sono le tensioni residue della saldatura (maggiore restrizione) e più lunghi sono i percorsi di diffusione - un'interazione complessa.

Questa indagine descrive l'effetto dello spessore della parete sulla suscettibilità alla SSC nei giunti saldati nel servizio di dissalatore.

Meccanismo SSC alle saldature: impatto sull'integrità meccanica
Titanium is progressively corroded in the presence of H₂S at 130°C: Ti + 2H_2S ->TiS_2 + 2H_2 L'idrogeno atomico così prodotto può penetrare nel reticolo del titanio. Quando la concentrazione di idrogeno si avvicina a 150–200 ppm in un'area sottoposta a sollecitazione di trazione, l'idruro di titanio (TiH2) precipita ai bordi dei grani. L'idruro è fragile e si frattura con la tensione residua. I giunti saldati sono particolarmente vulnerabili a questo fenomeno poiché la saldatura produce deformazioni di trazione residue di 150-250 MPa nella zona termicamente alterata (HAZ). Inoltre, la HAZ ha una microstruttura distinta, la martensite alfa-prime aciculare, che assorbe più facilmente l'idrogeno rispetto al metallo base.

Lo spessore della parete influenza lo stress residuo della saldatura. Per un diametro particolare del tubo, una parete più spessa determina una maggiore velocità di raffreddamento dopo la saldatura (a causa della maggiore massa termica) che aumenta lo stress residuo. Lo studio agli elementi finiti mostra che la massima sollecitazione residua nella ZTA della saldatura di un tubo con diametro esterno di 20 mm è:

Parete 1,0 mm: 180 MPa

220 MPa per parete da 1,5 mm

Parete da 2,0 mm: 260 MPa (vicino allo snervamento)

Una maggiore tensione residua diminuisce la concentrazione critica di idrogeno per la fessurazione. Una parete da 1,0 mm può resistere a 200 ppm di idrogeno prima di rompersi, mentre una parete da 2,0 mm può rompersi solo a 120 ppm a causa dell'aumento dello stress.

Effetto prestazione termica: diffusione e gradiente di temperatura
La diffusione dell'idrogeno è influenzata dalla differenza di calore attraverso la parete. A una temperatura apparente di 130 gradi, la temperatura della superficie interna di una parete da 1,0 mm è di circa 133 gradi per 2,0 W/cm 2 mentre quella di una parete da 2,0 mm è di 136 gradi. La differenza di 3 gradi aumenta il coefficiente di diffusione dell'idrogeno di circa il 15%, accelerando così marginalmente l'ingresso dell'idrogeno per la parete più spessa. Questo effetto è secondario al differenziale dello stress residuo.

Sintesi del compromesso-: spessore della parete e resistenza SSC
Spessore parete (mm) Sollecitazione residua della saldatura (MPa) Concentrazione critica di H per fessurazioni (ppm) Tempo per raggiungere H critico in HAZ (mesi con assorbimento di 10 ppm/mese) Rischio SSC
1,0 mm 180 MPa 200 ppm 20 mesi Moderato
1,2 mm 195 MPa 180 ppm 18 mesi Medio
1,5 mm 220 MPa 150 ppm 15 mesi. Alta 1,8 mm 245 MPa 130 ppm 13 mesi Alta 2,0 mm 260 MPa 120 ppm 12 mesi Alta (non dura 1 anno)
Le pareti più larghe sono solitamente più vulnerabili all'SSC perché sono più vulnerabili alle sollecitazioni residue della saldatura che riducono la concentrazione di idrogeno richiesta per la rottura. Una parete da 1,0 mm presenta una resistenza maggiore all'SSC rispetto a una parete da 2,0 mm.

Distensione delle saldature e miglioramento delle leghe: ingegneria oltre il limite
Poiché il problema è la maggiore tensione residua, la ricottura di distensione (540 gradi per 1 ora) viene utilizzata per ridurre la tensione residua della saldatura del 70–80%, indipendentemente dallo spessore della parete. Una parete di 2,0 mm sottoposta a distensione presenta una tensione residua di 50-70 MPa ed è molto resistente alle SSC. Tuttavia, a causa delle limitazioni dimensionali, molti riscaldatori dissalatori non possono essere ricotti. Per i riscaldatori saldati, si consigliano pareti più sottili (1,0–1,2 mm) per ridurre lo stress residuo. L'aggiornamento del titanio (Ti-0,3% Mo-0,8% Ni) dal grado 2 al grado 12 migliora la resistenza all'SSC perché il molibdeno stabilizza il film passivo e diminuisce l'assorbimento di idrogeno. Un tubo saldato di Grado 12 con parete da 1,5 mm e senza ricottura ha una resistenza SCC simile a un tubo di Grado 2 con parete da 1,0 mm.

Conclusione: pareti più sottili (da 1,0 a 1,2 mm) sono preferibili per la resistenza all'SSC nel servizio di dissalatore.
La relazione tra lo spessore delle pareti dei tubi di titanio in un riscaldatore di dissalatore per il pretrattamento del petrolio greggio utilizzando acqua di lavaggio con salamoia al 5% contenente H2S a 130 gradi e la rottura da stress da solfuro nelle saldature è controintuitiva: pareti più spesse aumentano la suscettibilità all'SSC, poiché la saldatura produce tensioni residue più elevate che riducono la concentrazione critica di idrogeno per la fessurazione. Il rischio di SSC era inferiore per una parete da 1,0 mm con tensione residua di 180 MPa rispetto a una parete da 2,0 mm con tensione residua di 260 MPa che ha ceduto entro 12 mesi. Lo standard consigliato è il tubo in titanio grado 2, spessore parete 1,0–1,2 mm, saldato-(senza ricottura) con decapaggio post-saldatura per rimuovere i contaminanti superficiali. Evitare l'uso di pareti più spesse a meno che non venga eseguita la ricottura di distensione post saldatura. Per i riscaldatori di servizio di dissalamento del greggio acido, richiedere la misurazione della tensione residua della saldatura (<200 MPa) or specify Grade 12 titanium for higher inherent SSC resistance. Wall thickness isn't a safety margin SSC-thinner is better.