¿Cómo afecta el patrón de tensión residual longitudinal del trefilado de tubos la susceptibilidad al agrietamiento por tensión de sulfuro en ambientes de servicio ácido?

Las condiciones de servicio ácido que contienen sulfuro de hidrógeno (H 2 S) se encuentran entre las aplicaciones más desafiantes para los componentes metálicos. Generalmente, las aleaciones de titanio son resistentes al agrietamiento por tensión por sulfuro (SSC, por sus siglas en inglés) a diferencia de los aceros al carbono y de baja -aleación. Sin embargo, el titanio puede ser vulnerable bajo ciertas condiciones: pH bajo, altas concentraciones de cloruro, temperaturas superiores a 80 grados y presencia de tensiones de tracción. El patrón de tensión residual longitudinal inducido durante el estirado del tubo afecta considerablemente la susceptibilidad al SSC. Un mandril introducido a través de un tocho hueco reduce el diámetro y el espesor de la pared en el trefilado de tubos. El método produce un patrón característico de tensiones residuales con tensiones de tracción en la superficie exterior y tensiones de compresión en la superficie interior o viceversa, dependiendo de si el tubo se trefila sin mandril interno (espiración hundida) o sobre un mandril fijo. La superficie bajo tensión residual de tracción tiene un riesgo significativamente mayor de inicio de SSC.

Mecanismo de inicio del SSC en sitios de estrés residual

La fragilización por hidrógeno, que se produce en entornos que contienen H₂S, se denomina craqueo por tensión de sulfuro. El sulfuro de hidrógeno envenena el proceso de recombinación del hidrógeno e impulsa el hidrógeno atómico hacia la red metálica. El hidrógeno absorbido bajo tensión de tracción se difunde hacia lugares de concentración de tensión triaxial, como límites de grano, inclusiones o defectos superficiales. El hidrógeno reduce la fuerza cohesiva de los límites de los granos de titanio y provoca la propagación de grietas inter- o transgranulares. Cualquier tensión ejercida en servicio (presión, expansión térmica, restricciones de montaje) se suma a las tensiones de tracción residuales del trefilado del tubo. El inicio del SSC ocurre cuando la suma de la tensión de tracción alcanza un valor umbral (alrededor del 40 al 60% del límite elástico del titanio en servicio amargo). La dirección longitudinal es motivo de especial preocupación porque las grietas en la dirección axial se propagarán en la dirección del tubo, lo que provocará una rotura catastrófica.

Valores cuantitativos de tensión residual para diferentes métodos de trefilado

Las tensiones residuales medidas por difracción de rayos X-en tubos de titanio de grado 2 revelaron patrones de tensión superficial longitudinal típicos:

Embutido hundido (sin mandril interno, tubo reducido únicamente mediante matrices externas) La superficie exterior desarrolla una tensión residual de tracción de 80 a 120 MPa. En la superficie interior surgen tensiones residuales de compresión (de 50 a 80 MPa). La exposición externa al H2S puede causar SSC en la superficie exterior de tracción.

Estirado con mandril (tubo estirado sobre un mandril interno fijo): la superficie exterior desarrolla una tensión residual de compresión de 40 a 70 MPa. Genera una tensión residual de tracción de 100-150 MPa en la superficie interior. La superficie de tracción interna es susceptible al SSC por exposición interna al H2S.

Estirado del tapón (mandril flotante, reducción moderada) Patrón de tensión residual equilibrado con ambos lados de 20 a 50 MPa (tracción o compresión dependiendo de la relación de reducción). Lo mejor para un servicio amargo.

Estirado en frío + recocido con alivio de tensión (540 grados, 30 min): las tensiones residuales disminuyeron a <15 MPa en ambas superficies independientemente del proceso de estirado. Bueno para un servicio amargo severo.

Susceptibilidad al SSC basada en el patrón de estrés residual

Tras pruebas controladas en solución A NACE TM0177 (5 % NaCl, 0,5 % ácido acético, saturado con H₂S, pH 2,7, 25 grados), se determinaron los siguientes umbrales de SSC:

Esfuerzo de tracción superficial<30 MPa: No SSC initiation after 1000 hours. Safe for any sour service.

Esfuerzo de tracción superficial de 30-60 MPa: tiempo de inicio de SSC de 500 a 1000 h. Apto para servicio no crítico con inspección periódica.

Esfuerzo de tracción superficial 60-100 MPa: tiempo de inicio del SSC 100-500 horas. Las tasas de propagación de grietas son de 0,1 a 0,5 mm/h una vez establecidas.

Iniciación de SSC con tensión de tracción superficial > 100 MPa en < 24-100 h. La falla del tubo ocurre en unas pocas semanas debido a la rápida propagación de grietas.

Guía de selección del método de dibujo de servicio amargo

La siguiente tabla es una matriz de decisión para los procedimientos de trefilado de tubos según la gravedad del servicio amargo y la dirección de exposición al estrés.

Condición de servicio amargo y ubicación de exposición a H₂S Método de dibujo recomendado Patrón de tensión residual y mitigación de riesgos de SSC
Exposición externa únicamente a H₂S (tubo sumergido en salmuera amarga, gas interno seco o inerte) Tapón trefilado con recocido de alivio de tensión Superficie exterior con compresión o baja tensión. estrés residual<30 MPa. Max SSC resist.
Exposición interna a H2S únicamente (gas amargo dentro del tubo, ambiente limpio externo) Estiramiento hundido (compresión de la superficie interior) Esfuerzo de compresión en la superficie interior (50 a 80 MPa). Superficie exterior extensible, no expuesta. Eso está bien.
Ambas superficies entran en contacto con H2S (tubo sumergido en líquido amargo, gas amargo interno) Más extracción del tapón, alivio total de tensión Tensión residual en ambas superficies<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Baja presión parcial de H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) El mandril estándar no alivia la tensión. Se permite la tensión de tracción de la superficie interna debido al menor peligro de SSC. Monitoreo trimestral de pH.
High H2S partial pressure (>1 psi), pH bajo (<4), Temperature >80oC Estirado del tapón, liberación de tensiones más granallado de la superficie El granallado crea una capa de compresión (150-200 MPa) independientemente del procedimiento de embutición. De lo más confiable.
Más allá de la ingeniería de tensiones residuales -

El tiempo de propagación de la SSC depende del espesor de la pared, no del inicio de la SSC. Una pared que es más gruesa (1,5 mm) y tiene una gran tensión de tracción residual (100 MPa) también puede agrietarse, pero la grieta tarda más en atravesarla. El diámetro del tubo también es importante: para la misma reducción de embutición, los diámetros más grandes (50 mm frente a 20 mm) muestran mayores magnitudes de tensión residual, debido a una mayor deformación diferencial. El umbral de concentración de H2S para SSC en titanio es de alrededor de 0,01 psi de presión parcial a 25 grados y disminuye a 0,001 psi a 80 grados. Las aleaciones adicionales en aleaciones de titanio de Grado 7 y Grado 12 dan como resultado una resistencia SSC mucho más fuerte que en el Grado 2, con una tolerancia a la tensión residual entre un 50% y un 100% mayor.

Hacer una especificación bien informada

Para servicio amargo, al especificar un tubo calentador de titanio, incluya la necesidad de medir la tensión residual en una muestra representativa mediante difracción de rayos X-o método de perforación-. Procedimiento de fabricación: - trefilado del tapón - recocido de alivio de tensión (540 grados, 30 minutos, atmósfera de argón) Solicite confirmación de que la tensión residual de la superficie longitudinal es menor o igual a 30 MPa (tracción) en cualquier superficie expuesta a H2S. Especifique titanio de grado 7 para servicio ácido severo (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 grados) independiente de la tensión residual, con un tratamiento de granallado superficial para proporcionar una capa de compresión. Inspeccione el tubo calentador trimestralmente utilizando la técnica de resistencia eléctrica en servicio. Un aumento del 5 al 10 por ciento indica un probable comienzo de fractura del SSC y requiere una inspección ultrasónica rápida. El ingeniero utiliza la selección del método de dibujo y el pos-procesamiento para regular los patrones de tensión residual y evitar el agrietamiento por tensión del sulfuro, que es uno de los mecanismos de falla más difíciles para los equipos de servicio amargo de titanio.