Wie beeinflusst das Rohrzug-Reduktionsverhältnis (15 % gegenüber . 30 %) einer nahtlosen Titanheizung die Schwellenspannung für wasserstoffbedingte Rissbildung bei saurem Betrieb bei 60 Grad?
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Heizrohre aus nahtlosem Titan werden durch Ziehen durch Matrizen hergestellt, wobei die Reduzierungen normalerweise in der Größenordnung von 15 bis 30 Prozent pro Durchgang liegen. Das Reduktionsverhältnis bestimmt den Grad der Kaltverformung, die Versetzungsdichte und die kristallografische Textur im endgültigen Rohr. Wasserstoff-induziertes Cracken (HIC) tritt in sauren Betriebsumgebungen auf, einschließlich Schwefelwasserstoff (H2S) bei 60 Grad, wenn die lokale Wasserstoffkonzentration die endgültige Feststofflöslichkeit überschreitet. Die HIC-Schwellenspannung, also die niedrigste Zugspannung, bei der es bei einer gegebenen Wasserstoffkonzentration zu Rissen kommt, hängt direkt von der Rohrmikrostruktur ab. Ein erhöhtes Reduktionsverhältnis (30 %) führt zu einer feineren Korngröße und einer höheren Versetzungsdichte, was die Anzahl der Wasserstoffeinfangstellen erhöht und die Schwellenspannung erhöht. Das geringere Reduktionsverhältnis von 15 % führt zu größeren Körnern und weniger Einschlüssen und damit zu einer Reduzierung der Schwellenspannung um 40–70 MPa.
Wasserstoffeinfang- und Rissinitiierungsmechanismus in gezogenen Rohren
In Titan verhalten sich Versetzungen, Korngrenzen und Leerstellen als Wasserstofffallen. Feinere Körner aus höheren Reduktionsverhältnissen sorgen für mehr Korngrenzenfläche pro Volumeneinheit, was den Wasserstoff gleichmäßiger verteilt und die Hydridausfällung verzögert. Die Schwellenspannung für HIC wird durch die Beziehung σ_th=σ_0 + k × ρ_dislocations^{0.5} angegeben, wobei σ_0 der intrinsische Widerstand und ρ_dislocations die Versetzungsdichte ist. Die Versetzungsdichten betragen \\sim 10^{14}-10^{15} m^{-2} für ein Reduktionsverhältnis von 30 % gegenüber \\sim 10^{13}-10^{14} m^{-2} für ein Reduktionsverhältnis von 15 %. Dieser Unterschied erhöht σ_th um 30–50 MPa. Außerdem richtet die kristallographische Struktur aufgrund höherer Reduktionsverhältnisse die Körner so aus, dass sie der Wasserstoffdiffusion entlang der Basisebenen widerstehen.
Schwellenspannung für unterschiedliche Reduktionsverhältnisse - Quantitativ
Die HIC-Schwellenspannungen für Titanrohre der Güteklasse 2 wurden durch kontrollierte Tests in saurer Salzlösung (5 % NaCl, 0,5 % Essigsäure, gesättigt mit H2S, pH 3,5) bei 60 Grad mit kathodischer Aufladung bestimmt. Bei einem Reduktionsverhältnis von 15 % (geringe Kaltumformung) beträgt die Schwellenspannung 120–150 MPa, die Wasserstoffkonzentration beim Versagen 250–350 ppm und die Korngröße ASTM 6–7. Bei einer Reduzierung um 20 % steigt die Schwellenspannung auf 150–180 MPa, die Wasserstoffkonzentration beim Versagen steigt auf 300–400 ppm und die Korngröße beträgt ASTM 7–8. Grenzspannung bei 25 % Reduzierung: 170–200 MPa; Konzentration bei Versagen: 350–450 ppm H; Korngröße: ASTM 8–9. Grenzspannung bei 30 % Reduktion (hohe Kaltverformung)=190-220 MPa Wasserstoffkonzentration beim Versagen=400-500 ppm Korngröße=ASTM 9–10 Im Gegensatz dazu haben vollständig geglühte Rohre mit 0 % Kaltverformung eine Grenzspannung von nur 80 bis 110 MPa und eine Korngröße von ASTM 4 bis 5.
Einfluss der angelegten Spannung und der Wasserstoffkonzentration auf die Rissbildung
Die Beziehungen zwischen der angewandten Zeit bis zum Versagen und der Spannungs-Wasserstoffkonzentration werden als Funktion des Reduktionsverhältnisses vorhergesagt. Bei einer angelegten Spannung von 100 MPa erreicht ein Rohr mit 15 % Reduktion eine kritische Wasserstoffkonzentration von 300 ppm, was bei einer Wasserstoffabsorptionsrate von 1 ppm/Tag etwa 1 Jahr dauert. Dieselbe Röhre mit einer Reduzierung um 30 % hat eine kritische Konzentration von 450 ppm und eine Lebensdauer von 1,8 Jahren. Das 15 %-Reduktionsrohr versagt bei einem Wasserstoffgehalt von 200 ppm und einer angelegten Belastung von 150 MPa in 7 Monaten, während das 30 %-Reduktionsrohr bei einem Wasserstoffgehalt von 350 ppm in 14 Monaten versagt. Die Röhre mit 15 % Reduktion versagt bei einer angelegten Spannung von 200 MPa und einer Wasserstoffkonzentration unter 100 ppm schnell, während die Röhre mit 30 % Reduktion 280 ppm Wasserstoff benötigt und 11 Monate hält.
Leitfaden zur Auswahl des Reduktionsverhältnisses Sauerservice bei 140 Grad F
Die folgende Tabelle bietet Hinweise zur Auswahl des Rohrziehreduktionsverhältnisses für nahtlose Heizgeräte aus Titan der Güteklasse 2 im sauren Betrieb unter Berücksichtigung des H 2 S-Partialdrucks, der angelegten Spannung und der erwarteten Lebensdauer.
H2S-Partialdruck (bar) pH-Wert der Lösung Maximale angelegte Spannung (MPa) Empfohlenes Reduktionsverhältnis Minimale Korngröße (ASTM) Erwartete HIC-Schwellenspannung (MPa)<0.05 >4.0 <100 15–20% 6 >150 0.05–0.10 3.5–4.0 100–150 20–25% 7 >180 0.10–0.20 3.0–3.5 150–200 25–30% 8 >200 0.20–0.50 2.5–3.0 150–180 30% plus Grade 7 9 >220 >0.50 <2.5 >150 Nicht empfohlen für Klasse 2 N/AN/A
Engineering jenseits der Wahl des Untersetzungsverhältnisses
Die Titansorte hat unabhängig vom Reduktionsverhältnis einen erheblichen Einfluss auf die HIC-Beständigkeit. Palladium-stabilisierter Grad 7 weist Schwellenspannungen auf, die bei gleichem Reduktionsverhältnis um 50–100 MPa höher sind als Grad 2, was auf die Palladium-katalysierte Wasserstoffrekombination zurückzuführen ist. Grad 12 weist eine moderate Verbesserung von 30–50 MPa auf. Das Glühen nach dem Ziehen (Entlastung der Spannung bei 540 Grad für 30 Minuten) verringert die Versetzungsdichte und senkt auch die HIC-Schwelle. Kaltgezogen ohne anschließendes Glühen ist daher der empfohlene Zustand von Rohren für den sauren Einsatz. Die Schwellenspannung ist unabhängig von der Wandstärke, verändert jedoch die Dauer der Bruchausbreitung: Eine 2,0-mm-Wand mit einem Riss kann länger bis zur Perforation überleben als eine 1,2-mm-Wand.
Geben Sie mit Zuversicht an
• Für nahtlose Heizrohre aus Titan im sauren Betrieb bei 60 Grad ist ein Kaltumformungsverhältnis von 25-30 % ohne zusätzliches Glühen anzugeben. Eine Mindestkorngröße von ASTM 8 ist erforderlich, und eine Zertifizierung der Versetzungsdichte durch Röntgenbeugungs-Peakverbreiterungsanalyse ist erforderlich. Für extrem sauren Betrieb mit einem H₂S-Partialdruck > 0,2 bar ist Titan der Güteklasse 7 mit einem Reduktionsverhältnis von 30 % zu verwenden. Wasserstoffbeladungstest am Probenabschnitt während der Eingangskontrolle: Auf 400 ppm Wasserstoff aufladen, dann 80 % der angegebenen Streckgrenze anwenden, Charge aussortieren, wenn innerhalb von 100 Stunden Risse auftreten. Durch die Wahl eines größeren Reduktionsverhältnisses von 30 % statt 15 % verbessert der Ingenieur die Schwellenspannung für wasserstoffinduzierte Risse um 40–70 MPa und bietet so einen erheblichen Sicherheitsspielraum in Situationen mit schlechtem Betrieb.
