Wie interagiert die Wandstärke des Titanrohrs mit der Anwesenheit von Schwefelwasserstoff in einem Entsalzungserhitzer für die Vorbehandlung von Rohöl (enthält 5 % Salzlake-Waschwasser bei 130 Grad), was zu Sulfidspannungsrissen an Schweißnähten führt?
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Titan-Heizungsdesign für den Rohentsalzer-Service - Der grundlegende Kompromiss
Rohölentsalzer injizieren Waschwasser (5 %ige Salzlösung) bei 130 °C in das Rohöl, um Salz und Partikel zu entfernen. Die Sole besteht aus Chloriden und Schwefelwasserstoff (H 2 S) aus saurem Rohöl. Die Rohsolekombination wird in Titanrohren vorgewärmt. Kriterien für Sulfidspannungsrisse (SSC) sind das Vorhandensein von H 2 S, Chloriden, erhöhte Temperatur und Restzugspannungen an den Schweißverbindungen. SSC ist eine Art Wasserstoffversprödung, bei der atomarer Wasserstoff aus der H2S-Korrosion in das Titan diffundiert und spröde Hydride bildet. Die Wandstärke beeinflusst das Eigenspannungsniveau in Schweißnähten und den Wasserstoffkonzentrationsgradienten. Je dicker die Wand, desto mehr Eigenspannungen durch das Schweißen (mehr Einschränkung) und desto länger sind die Diffusionswege - eine komplexe Wechselwirkung.
Diese Untersuchung beschreibt den Einfluss der Wandstärke auf die SSC-Anfälligkeit an Schweißverbindungen im Entsalzungsbetrieb.
SSC-Mechanismus an Schweißnähten: Auswirkungen auf die mechanische Integrität
Titanium is progressively corroded in the presence of H₂S at 130°C: Ti + 2H_2S ->TiS_2 + 2H_2 Der so erzeugte atomare Wasserstoff kann das Titangitter durchdringen. Wenn die Wasserstoffkonzentration in einem Bereich mit Zugspannung 150–200 ppm erreicht, scheidet sich Titanhydrid (TiH2) an den Korngrenzen aus. Das Hydrid ist spröde und bricht bei Restspannung. Schweißverbindungen sind hierfür besonders anfällig, da beim Schweißen in der Wärmeeinflusszone (HAZ) Restzugspannungen von 150-250 MPa entstehen. Darüber hinaus weist die HAZ eine ausgeprägte Mikrostruktur auf, nämlich nadelförmigen Alpha-Primär-Martensit, der Wasserstoff leichter absorbiert als das Grundmetall.
Die Wandstärke beeinflusst die Eigenspannung der Schweißnaht. Bei einem bestimmten Rohrdurchmesser führt eine dickere Wand zu einer höheren Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen (aufgrund der höheren thermischen Masse), was die Eigenspannung erhöht. Die Finite-Elemente-Studie zeigt, dass die maximale Restspannung an der Schweißzone eines Rohrs mit 20 mm Außendurchmesser beträgt:
Wand 1,0 mm: 180 MPa
220 MPa für 1,5 mm Wandstärke
2,0 mm Wand: 260 MPa (nahe der Ergiebigkeit)
Eine höhere Eigenspannung verringert die kritische Wasserstoffkonzentration für die Rissbildung. Eine 1,0-mm-Wand kann 200 ppm Wasserstoff standhalten, bevor sie reißt, während eine 2,0-mm-Wand aufgrund der erhöhten Spannung möglicherweise erst bei 120 ppm reißt.
Thermischer Leistungseffekt: Diffusion und Temperaturgradient
Die Wasserstoffdiffusion wird durch die Wärmedifferenz entlang der Wand beeinflusst. Bei einer Massentemperatur von 130 Grad beträgt die Innenoberflächentemperatur einer 1,0-mm-Wand etwa 133 Grad für 2,0 W/cm², während die einer 2,0-mm-Wand 136 Grad beträgt. Der Unterschied von 3 Grad erhöht den Diffusionskoeffizienten von Wasserstoff um etwa 15 %, wodurch der Wasserstoffeintritt in die dickere Wand geringfügig beschleunigt wird. Dieser Effekt ist sekundär zum Unterschied der Eigenspannung.
Synthese des Kompromisses: Wandstärke vs. SSC-Widerstand
Wandstärke (mm) Schweißeigenspannung (MPa) Kritische H-Konzentration für Risse (ppm) Zeit bis zum kritischen H bei HAZ (Monate bei 10 ppm/Monat Absorption) Risiko SSC
1,0 mm 180 MPa 200 ppm 20 Monate Mäßig
1,2 mm 195 MPa 180 ppm 18 Monate Mittel
1,5 mm 220 MPa 150 ppm 15 Monate. Hoch 1,8 mm 245 MPa 130 ppm 13 Monate Hoch 2,0 mm 260 MPa 120 ppm 12 Monate Hoch (hält nicht 1 Jahr)
Breitere Wände sind in der Regel anfälliger für SSC, da sie anfälliger für Schweißeigenspannungen sind, die die zum Bruch erforderliche Wasserstoffkonzentration senken. Eine 1,0-mm-Wand weist einen stärkeren Widerstand gegen SSC auf als eine 2,0-mm-Wand.
Schweißnahtspannungsentlastung und Legierungsveredelung: Technik über den Tellerrand hinaus
Da das Problem in der größeren Eigenspannung liegt, wird ein Spannungsarmglühen (540 Grad für 1 Stunde) verwendet, um die Schweißeigenspannung unabhängig von der Wandstärke um 70–80 % zu senken. Eine spannungsarm geglühte 2,0-mm-Wand hat eine Restspannung von 50-70 MPa und ist sehr SSC-beständig. Aufgrund von Größenbeschränkungen können viele Entsalzungserhitzer jedoch nicht geglüht werden. Bei geschweißten Heizgeräten werden dünnere Wände (1,0–1,2 mm) empfohlen, um die Restspannung zu verringern. Die Aufwertung von Titan (Ti-0,3 % Mo-0,8 % Ni) von Grad 2 auf Grad 12 erhöht die SSC-Beständigkeit, da Molybdän den Passivfilm stabilisiert und die Wasserstoffabsorption verringert. Ein geschweißtes Rohr der Güteklasse 12 mit einer Wandstärke von 1,5 mm und ohne Glühen weist eine SCC-Beständigkeit auf, die der eines Rohrs der Güteklasse 2 mit einer Wandstärke von 1,0 mm ähnelt.
Schlussfolgerung: Eine dünnere Wand (1,0 bis 1,2 mm) wird für die SSC-Beständigkeit im Entsalzerbetrieb bevorzugt.
Der Zusammenhang zwischen der Wandstärke von Titanrohren in einem Entsalzungserhitzer zur Vorbehandlung von Rohöl unter Verwendung einer 5 %igen Salzlake, die H2S bei 130 Grad enthält, und Sulfidspannungsrissen an Schweißnähten ist kontraintuitiv: Dickere Wände erhöhen die Anfälligkeit für SSC, da beim Schweißen höhere Eigenspannungen entstehen, die die kritische Wasserstoffkonzentration für Risse senken. Das SSC-Risiko war bei einer 1,0-mm-Wand mit einer Restspannung von 180 MPa geringer als bei einer 2,0-mm-Wand mit einer Restspannung von 260 MPa, die innerhalb von 12 Monaten versagte. Der empfohlene Standard ist Titanrohr der Güteklasse 2, Wandstärke 1,0–1,2 mm, geschweißt (kein Glühen) mit Beizen nach dem Schweißen, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Vermeiden Sie die Verwendung dickerer Wände, es sei denn, es wird nach dem Schweißen ein Spannungsarmglühen durchgeführt. Für Serviceheizgeräte zur Entsalzung von saurem Rohöl ist eine Messung der Schweißeigenspannung erforderlich (<200 MPa) or specify Grade 12 titanium for higher inherent SSC resistance. Wall thickness isn't a safety margin SSC-thinner is better.
