튜브 드로잉의 종방향 잔류 응력 패턴은 신맛이 나는 환경에서 황화물 응력 균열에 대한 민감성에 어떤 영향을 줍니까?

황화수소(H 2 S)를 포함하는 산성 서비스 조건은 금속 부품에 대한 가장 까다로운 응용 분야 중 하나입니다. 일반적으로 티타늄 합금은 탄소강 및 저-합금강과 달리 황화물 응력 균열(SSC)에 대한 내성이 있습니다. 그러나 티타늄은 낮은 pH, 높은 염화물 농도, 80도를 초과하는 온도, 인장 응력 존재 등 특정 조건에서 취약할 수 있습니다. 튜브 인발 중에 발생하는 종방향 잔류 응력 패턴은 SSC에 대한 민감도에 상당한 영향을 미칩니다. 중공 빌렛을 통해 당겨진 맨드릴은 튜브 드로잉의 직경과 벽 두께를 줄입니다. 이 방법은 튜브가 내부 맨드릴 없이(매몰형 인발) 또는 고정 맨드릴 위에 인발되는지 여부에 따라 외부 표면에 인장 응력이 있고 내부 표면에 압축 응력이 있는 잔류 응력의 특징적인 패턴을 생성합니다. 인장 잔류 응력을 받는 표면은 SSC 시작 위험이 상당히 증가합니다.

잔류 응력 부위에서의 SSC 개시 메커니즘

H2S 함유 환경에서 발생하는 수소 취화를 황화물 응력 균열이라고 합니다. 황화수소는 수소 재결합 과정을 독살하고 원자 수소를 금속 격자로 유도합니다. 인장 응력 하에서 흡수된 수소는 결정립 경계, 개재물 또는 표면 결함과 같은 3축 응력 집중 위치로 확산됩니다. 수소는 티타늄 결정립계의 응집력을 감소시키고 내부- 또는 입계 균열 전파를 유발합니다. 사용 중에 가해지는 모든 응력(압력, 열팽창, 장착 제한)은 튜브 인발의 잔류 인장 응력과 합산됩니다. SSC 개시는 인장 응력의 합이 임계값(사워 서비스에서 티타늄 항복 강도의 약 40-60%)에 도달할 때 발생합니다. 세로 방향은 축 방향의 균열이 튜브 방향으로 전파되어 치명적인 쪼개짐을 초래할 수 있기 때문에 특히 중요합니다.

다양한 와이어 드로잉 방법에 대한 정량적 잔류 응력 값

2등급 티타늄 튜브의 X-선 회절로 측정한 잔류 응력은 일반적인 세로 표면 응력 패턴을 나타냅니다.

선크 드로잉(내부 맨드릴 없음, 외부 다이로만 튜브 감소) 외부 표면은 80~120 MPa의 인장 잔류 응력을 발생시킵니다. 내부 표면에는 압축 잔류 응력(50~80MPa)이 발생합니다. 외부 H2S 노출은 인장 외부 표면에 SSC를 유발할 수 있습니다.

맨드릴 드로잉(고정된 내부 맨드릴 위에 튜브가 그려져 있음): 외부 표면은 40-70 MPa의 압축 잔류 응력을 발생시킵니다. 내부 표면에 100~150 MPa의 인장 잔류 응력이 발생합니다. 내부 인장 표면은 내부 H2S 노출로 인해 SSC에 취약합니다.

플러그 드로잉(플로팅 맨드릴, 중간 감소) 20~50MPa의 양쪽 측면을 갖는 균형 잡힌 잔류 응력 패턴(감소율에 따라 인장 또는 압축). 신맛이 나는 서비스에 가장 적합합니다.

냉간 인발 + 응력 제거 어닐링(540도, 30분): 인발 공정과 관계없이 양쪽 표면에서 잔류 변형률이 < 15 MPa로 감소했습니다. 신맛이 심한 서비스에 좋습니다.

잔류 응력 패턴 기반 SSC 민감성

NACE TM0177 용액 A(5% NaCl, 0.5% 아세트산, H2S로 포화됨, pH 2.7, 25도)의 통제된 테스트에 따라 다음 SSC 임계값이 결정되었습니다.

표면 인장 응력<30 MPa: No SSC initiation after 1000 hours. Safe for any sour service.

30-60MPa 표면 인장 응력: 500-1,000h SSC 개시 시간. 정기적인 검사를 통해 중요하지 않은 서비스에 적합합니다.

표면 인장 응력 60-100MPa: SSC 시작 시간 100-500시간. 균열 전파 속도는 일단 확립되면 0.1~0.5mm/hr입니다.

< 24-100시간 내에 표면 인장 응력 > 100MPa에서 SSC가 시작됩니다. 급속한 균열 전파로 인해 몇 주 내에 튜브 파손이 발생합니다.

사워 서비스 그리기 방법 선택 가이드

아래 표는 사워 서비스의 심각도와 응력 노출 방향을 기반으로 한 튜브 드로잉 절차에 대한 결정 매트릭스입니다.

Sour 사용 조건 및 H2S 노출 위치 권장 도면 방법 잔류 응력 패턴 및 SSC 위험 완화
외부 H2S 노출만(신 소금물에 담근 튜브, 내부 건조 또는 불활성 가스) 응력 완화 어닐링을 사용한 플러그 드로잉 압축 또는 저장력 외부 표면. 잔류응력<30 MPa. Max SSC resist.
내부 H2S 노출만(튜브 내부의 산성 가스, 외부의 깨끗한 환경) 침하 드로잉(내부 표면 압축) 내부 표면의 압축 응력(50 ~ 80 MPa). 외부 표면은 인장력이 있고 노출되지 않습니다. 괜찮습니다.
H2S와 접촉된 두 표면(신 액체에 담근 튜브, 내부 신 가스) 플러스 플러그 드로우, 전체 장력 완화 양쪽 표면의 잔류 응력<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
낮은 H2S 부분압력(<0.1 psi), high pH (>4.5) 표준 맨드릴은 응력완화 없음 SSC의 위험이 적기 때문에 내부 표면 인장응력이 허용됩니다. 분기별 pH 모니터링.
High H2S partial pressure (>1psi), 낮은 pH(<4), Temperature >80oC 플러그 드로잉, 응력 제거 및 표면 숏 피닝숏 피닝은 드로잉 절차에 관계없이 압축 층(150-200 MPa)을 생성합니다. 가장 신뢰할 수 있습니다.
잔류 응력 공학을 넘어선 -

SSC 전파 시간은 SSC 시작이 아니라 벽 두께에 따라 달라집니다. 더 두껍고(1.5mm) 잔류 인장 응력(100MPa)이 큰 벽도 균열이 발생할 수 있지만 균열이 통과하는 데 시간이 더 오래 걸립니다. 튜브 직경도 중요합니다. 동일한 도면 축소의 경우 직경이 클수록(50mm 대 20mm) 더 높은 차등 변형으로 인해 더 높은 크기의 잔류 응력이 나타납니다. 티타늄의 SSC에 대한 임계 H2S 농도는 25도에서 부분압력이 약 0.01psi이고 80도에서 0.001psi로 감소합니다. 7등급 및 12등급 티타늄 합금에 합금을 추가하면 2등급보다 SSC 저항이 훨씬 더 강해지고 잔류 응력 내성이 50~100% 더 높아집니다.

지식이 풍부한 사양 만들기

신맛이 나는 서비스의 경우 티타늄 히터 튜브를 지정할 때 X-선 회절 또는 홀-드릴링 방법을 통해 대표 샘플의 잔류 응력을 측정해야 할 필요성을 포함합니다. 제조 절차 : - 플러그 드로잉 - 응력 제거 어닐링(540도, 30분, 아르곤 분위기) H2S에 노출된 모든 표면에서 세로 표면 잔류 응력이 30MPa(인장) 이하인지 확인을 요청합니다. 심한 신맛 서비스(pH)에 대해 7등급 티타늄을 지정합니다.<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60도) 잔류 응력과 무관하며 표면 숏 피닝 처리를 통해 압축층을 제공합니다. 사용 중인 전기 저항 기술을 사용하여 분기별로 히터 튜브를 검사하십시오. 5~10% 증가는 SSC 파손 가능성이 있음을 나타내며 신속한 초음파 검사가 필요합니다. 엔지니어는 인발 방법 선택과 후처리를 사용하여 잔류 응력 패턴을 조절하고 티타늄 사워 서비스 장비의 가장 어려운 고장 메커니즘 중 하나인 황화물 응력 균열을 방지합니다.