¿Cómo influye la relación de reducción del trefilado del tubo (15 % frente a . 30 %) de un calentador de titanio sin costura en la tensión umbral para el agrietamiento inducido por hidrógeno-en servicio amargo a 60 grados?

Los tubos calentadores de titanio sin costura se producen estirando a través de matrices, con reducciones generalmente del orden del 15 al 30 por ciento por pasada. La relación de reducción determina la cantidad de trabajo en frío, la densidad de dislocaciones y la textura cristalográfica en el tubo final. El craqueo inducido por hidrógeno-(HIC) ocurre en entornos de servicio ácido, incluido el sulfuro de hidrógeno (H2S) a 60 grados, cuando la concentración local de hidrógeno supera la solubilidad sólida terminal. La tensión umbral HIC, es decir, la tensión de tracción más baja a la que se produce el agrietamiento con una determinada concentración de hidrógeno, depende directamente de la microestructura del tubo. Una mayor relación de reducción (30%) conduce a un tamaño de grano más fino y una mayor densidad de dislocación, lo que aumenta los sitios de captura de hidrógeno y aumenta la tensión umbral. La relación de reducción más baja del 15% da como resultado granos más grandes y menos trampas y, por lo tanto, una reducción de la tensión umbral de 40 a 70 MPa.

Mecanismo de atrapamiento de hidrógeno e iniciación de grietas en tubos estirados

En el titanio, las dislocaciones, los límites de grano y las vacantes se comportan como trampas de hidrógeno. Los granos más finos de relaciones de reducción más altas proporcionan más área límite de grano por unidad de volumen, lo que distribuye el hidrógeno de manera más uniforme y retrasa la precipitación de hidruros. La tensión umbral para HIC viene dada por la relación σ_th=σ_0 + k × ρ_dislocaciones^{0.5}, donde σ_0 es la resistencia intrínseca y ρ_dislocaciones es la densidad de dislocaciones. Las densidades de dislocación son \\sim 10^{14}-10^{15} m^{-2} para una relación de reducción del 30 % frente a \\sim 10^{13}-10^{14} m^{-2} para una reducción del 15 %. Esta diferencia eleva σ_th entre 30 y 50 MPa. Además, la estructura cristalográfica de relaciones de reducción más altas alinea los granos para resistir la difusión de hidrógeno a lo largo de los planos basales.

Estrés umbral para diferentes relaciones de reducción - Cuantitativo

Las tensiones umbrales de HIC para tubos de titanio de grado 2 se han determinado mediante pruebas controladas en salmuera ácida (5 % de NaCl, 0,5 % de ácido acético, saturado con H2S, pH 3,5) a 60 grados con carga catódica. Con una relación de reducción del 15 % (bajo trabajo en frío), la tensión umbral es de 120 a 150 MPa, la concentración de hidrógeno en el momento de la falla es de 250 a 350 ppm y el tamaño de grano es ASTM 6-7. Con una reducción del 20%, la tensión umbral aumenta a 150~180 MPa, la concentración de hidrógeno en el momento de la falla aumenta a 300~400 ppm y el tamaño de grano es ASTM 7~8. Esfuerzo umbral con una reducción del 25 %: 170–200 MPa; concentración en el momento del fallo: 350–450 ppm H; tamaño de grano: ASTM 8–9. Esfuerzo umbral con una reducción del 30 % (trabajo en frío elevado)=190-220 MPa Concentración de hidrógeno en el momento de la falla=400-500 ppm Tamaño de grano=ASTM 9-10 En contraste, los tubos completamente recocidos con un trabajo en frío del 0 % tienen un estrés umbral de solo 80 a 110 MPa y un tamaño de grano de ASTM 4 a 5.

Efecto de la tensión aplicada y la concentración de hidrógeno sobre el craqueo.

Las relaciones entre el tiempo aplicado hasta el fallo y la tensión-concentración de hidrógeno se predicen en función del índice de reducción. Con una tensión aplicada de 100 MPa, un tubo con una reducción del 15 % alcanza una concentración crítica de hidrógeno de 300 ppm, lo que tarda alrededor de 1 año con una tasa de absorción de hidrógeno de 1 ppm/día. Ese mismo tubo con una reducción del 30% tiene una concentración crítica de 450 ppm y una vida útil de 1,8 años. El tubo de reducción del 15 % falla a un nivel de hidrógeno de 200 ppm a una tensión aplicada de 150 MPa en 7 meses, mientras que el tubo de reducción del 30 % falla a un nivel de hidrógeno de 350 ppm en 14 meses. El tubo con una reducción del 15% falla rápidamente con una tensión aplicada de 200 MPa y una concentración de hidrógeno inferior a 100 ppm, mientras que el tubo con una reducción del 30% requiere 280 ppm de hidrógeno y dura 11 meses.

Guía de selección de proporciones de reducción Servicio ácido a 140 grados F

La siguiente tabla proporciona orientación sobre la elección de la relación de reducción de trefilado de tubos para calentadores sin costura de titanio Grado 2 en servicio amargo considerando la presión parcial del H 2 S, la tensión aplicada y la vida útil esperada.

H2S Presión parcial (bar) pH de la solución Esfuerzo máximo aplicado (MPa) Relación de reducción recomendada Tamaño mínimo de grano (ASTM) Esfuerzo umbral HIC esperado (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 No recomendado para Grado 2 N/AN/A
Ingeniería más allá de la elección del ratio de reducción

El grado de titanio tiene un efecto sustancial sobre la resistencia HIC independientemente del índice de reducción. El grado 7 estabilizado con paladio-tiene tensiones umbral de 50 a 100 MPa más altas que el grado 2 con la misma relación de reducción, atribuidas a la recombinación de hidrógeno catalizada con paladio-. El grado 12 tiene una mejora moderada de 30-50 MPa. El recocido después del estirado (alivio de la tensión a 540 grados durante 30 minutos) reduce la densidad de dislocaciones y también disminuye el umbral de HIC. Por lo tanto, la condición recomendada para el tubo para servicio ácido es estirado en frío, sin recocido posterior. La tensión umbral es independiente del espesor de la pared, aunque altera la duración de la propagación de la fractura: una pared de 2,0 mm que contiene una grieta puede vivir más tiempo hasta la perforación que una pared de 1,2 mm.

Especifique con confianza

• Para tubos calentadores de titanio sin costura en servicio ácido a 60 grados, especifique una relación de reducción estirada en frío del 25-30 % sin recocido adicional. Se requiere un tamaño de grano mínimo de ASTM 8 y se requiere certificación de la densidad de dislocación mediante análisis de ensanchamiento de picos de difracción de rayos X. Para servicios extremadamente amargos con presión parcial de H₂S > 0,2 bar, especifique titanio de grado 7 con una relación de reducción del 30 %. Prueba de carga de hidrógeno en la sección de muestra durante la inspección entrante: cargue a 400 ppm de hidrógeno, luego aplique el 80% del límite elástico especificado, rechace el lote si se produce agrietamiento dentro de las 100 horas. Al elegir una relación de reducción mayor del 30% en lugar del 15%, el ingeniero mejora la tensión umbral para el craqueo inducido por hidrógeno entre 40 y 70 MPa, agregando un margen de seguridad significativo en situaciones de servicio ácido.