심리스 티타늄 히터의 튜브 드로잉 감소율(15% 대. 30%)은 60도 신맛 서비스에서 수소-유발 균열에 대한 임계값 응력에 어떤 영향을 줍니까?

이음매 없는 티타늄으로 만든 히터 튜브는 다이를 통해 드로잉하여 생산되며 일반적으로 패스당 15~30% 정도 감소합니다. 축소율은 최종 튜브의 냉간 가공량, 전위 밀도 및 결정학적 조직을 결정합니다. 수소-유도 균열(HIC)은 국부적인 수소 농도가 최종 고용도를 초과할 때 60도에서 황화수소(H2S)를 포함한 산성 환경에서 발생합니다. HIC 임계값 응력, 즉 주어진 수소 농도에서 균열이 발생하는 가장 낮은 인장 응력은 튜브 미세 구조에 직접적으로 의존합니다. 증가된 환원율(30%)은 입자 크기가 더 미세해지고 전위 밀도가 높아지며, 이는 수소 포집 부위가 증가하고 임계 응력이 증가합니다. 15%의 낮은 감소율은 더 큰 입자와 더 적은 트랩을 초래하므로 임계 응력이 40-70MPa 감소합니다.

인발관의 수소 포획 및 균열 발생 메커니즘

티타늄에서는 전위, 결정립계 및 공극이 수소 트랩처럼 작용합니다. 더 높은 환원율로 인해 더 미세한 입자는 단위 부피당 더 많은 입자 경계 영역을 제공하여 수소를 보다 고르게 분포시키고 수소화물 침전을 지연시킵니다. HIC에 대한 임계 응력은 σ_th=σ_0 + k × ρ_dislocations^{0.5} 관계식으로 제공됩니다. 여기서 σ_0은 고유 저항이고 ρ_dislocations는 전위 밀도입니다. 전위 밀도는 30% 감소율의 경우 \\sim 10^{14}-10^{15} m^{-2}이고 15% 감소의 경우 \\sim 10^{13}-10^{14} m^{-2}입니다. 이 차이는 σ_th를 30–50MPa만큼 높입니다. 또한, 더 높은 환원율로 인한 결정학적 구조는 기저 평면을 따라 수소 확산에 저항하도록 입자를 정렬합니다.

다양한 감소율에 대한 임계 응력 - 정량적

2등급 티타늄 튜브에 대한 HIC 임계값 응력은 음극 충전을 사용하여 60도에서 신 소금물(5% NaCl, 0.5% 아세트산, H2S로 포화, pH 3.5)에서 제어된 테스트를 통해 결정되었습니다. 감소율이 15%(낮은 냉간 가공)인 경우 임계 응력은 120~150MPa, 파손 시 수소 농도는 250~350ppm, 입자 크기는 ASTM 6~7입니다. 20% 감소하면 임계 응력은 150~180MPa로 증가하고, 파손 시 수소 농도는 300~400ppm으로 올라가며, 입자 크기는 ASTM 7~8입니다. 25% 감소 시 임계 응력: 170~200MPa; 실패시 농도: 350-450ppm H; 입자 크기: ASTM 8–9. 30% 감소 시 임계 응력(높은 냉간 작업)=190-220 MPa 파손 시 수소 농도=400-500ppm 입자 크기=ASTM 9-10 이와 대조적으로 0% 냉간 가공으로 완전히 어닐링된 튜브는 임계 응력이 80~110MPa에 불과하고 입자 크기는 ASTM 4~5입니다.

가해진 응력과 수소 농도가 균열에 미치는 영향

적용된 파손 시간과 응력-수소 농도 사이의 관계는 감소율의 함수로 예측됩니다. 100MPa의 적용된 응력에서 15% 감소된 튜브는 300ppm의 임계 수소 농도에 도달하며, 이는 1ppm/일의 수소 흡수율에서 약 1년이 걸립니다. 30% 감소된 동일한 튜브의 임계 농도는 450ppm이고 수명은 1.8년입니다. 15% 환원 튜브는 150 MPa 적용 응력에서 200ppm 수소 수준에서 7개월 만에 파손되는 반면, 30% 환원 튜브는 14개월 만에 350ppm 수소 수준에서 파손됩니다. 15% 감소된 튜브는 200MPa의 적용 응력과 100ppm 미만의 수소 농도에서 빠르게 파손되는 반면, 30% 감소된 튜브는 280ppm의 수소를 필요로 하며 11개월 동안 지속됩니다.

감속비 선택 가이드 화씨 140도에서의 사워 서비스

아래 표는 H 2 S 부분 압력, 적용 응력 및 예상 서비스 수명을 고려하여 사워 서비스에서 2등급 티타늄 이음매 없는 히터에 대한 튜브 드로잉 감소율 선택에 대한 지침을 제공합니다.

H2S 부분 압력(bar) 용액 pH 최대 적용 응력(MPa) 권장 감소율 최소 입자 크기(ASTM) 예상 HIC 임계 응력(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 2등급에는 권장되지 않음 N/AN/A
감속비를 뛰어넘는 엔지니어링 선택

티타늄 등급은 감속비에 관계없이 HIC 저항에 상당한 영향을 미칩니다. 팔라듐- 안정화 등급 7은 팔라듐-촉매 수소 재결합으로 인해 동일한 감소율에서 등급 2보다 임계값 응력이 50~100MPa 더 높습니다. 12등급에서는 30-50 MPa의 중간 수준의 개선이 있습니다. 인발 후 어닐링(540도에서 30분 동안 응력 완화)은 전위 밀도를 감소시키고 HIC 임계값도 감소시킵니다. 따라서 후속 어닐링 없이 냉간 인발하는 것이 사워 서비스용 튜브의 권장 조건입니다. 임계 응력은 파괴 전파 기간을 변경하기는 하지만 벽 두께와 무관합니다. 균열이 포함된 2.0mm 벽은 1.2mm 벽보다 천공될 때까지 더 오래 지속될 수 있습니다.

자신있게 지정하세요

• 60도에서 신맛이 나는 무봉제 티타늄 히터 튜브의 경우 추가 어닐링 없이 냉간 인발 압하율을 25{4}}30%로 지정합니다. ASTM 8의 최소 결정립 크기가 필요하며, X-선 회절 피크 확장 분석을 통한 전위 밀도 인증이 필요합니다. H2S 부분 압력이 0.2bar를 초과하는 극심한 신맛 서비스의 경우 감소율이 30%인 7등급 티타늄을 지정하십시오. 입고 검사 중 샘플 섹션에 대한 수소 충전 테스트: 400ppm의 수소를 충전한 다음 지정된 항복 응력의 80%를 적용하고 100시간 이내에 균열이 발생하면 로트를 거부합니다. 엔지니어는 15% 대신 30%라는 더 큰 감소율을 선택하여 수소로 인한 균열에 대한 임계값 응력을 40~70MPa까지 향상시켜 Sour 서비스 상황에서 상당한 안전 여유를 추가합니다.