Como o padrão de tensão residual longitudinal do trefilamento do tubo afeta a suscetibilidade à fissuração por tensão por sulfeto em ambientes de serviço ácido?

Condições de serviço ácidas contendo sulfeto de hidrogênio (H 2 S) estão entre as aplicações mais desafiadoras para componentes metálicos. Geralmente, as ligas de titânio são resistentes à fissuração por tensão por sulfeto (SSC), ao contrário do carbono e dos aços de baixa{2}liga. No entanto, o titânio pode ser vulnerável sob certas condições – baixo pH, altas concentrações de cloreto, temperaturas superiores a 80 graus e presença de tensões de tração. O padrão de tensão residual longitudinal induzido durante a trefilação do tubo afeta consideravelmente a suscetibilidade ao SSC. Um mandril puxado através de um tarugo oco reduz o diâmetro e a espessura da parede na trefilação do tubo. O método produz um padrão característico de tensões residuais com tensões de tração na superfície externa e tensões de compressão na superfície interna ou vice-versa, dependendo se o tubo é trefilado sem mandril interno (trefilamento afundado) ou sobre mandril fixo. A superfície sob tensão residual de tração apresenta risco significativamente aumentado de iniciação de SSC.

Mecanismo de Iniciação SSC em Locais de Tensão Residual

A fragilização por hidrogênio, que ocorre em ambientes contendo H₂S, é chamada de fissuração por tensão por sulfeto. O sulfeto de hidrogênio envenena o processo de recombinação do hidrogênio e conduz o hidrogênio atômico para a rede metálica. O hidrogênio absorvido sob tensão de tração se difunde para locais de concentração de tensão triaxial, como limites de grãos, inclusões ou defeitos superficiais. O hidrogênio reduz a resistência coesiva dos limites dos grãos de titânio e causa propagação de trincas inter- ou transgranulares. Quaisquer tensões exercidas em serviço (pressão, expansão térmica, restrições de montagem) são somadas às tensões de tração residuais do desenho do tubo. A iniciação do SSC ocorre quando a soma da tensão de tração atinge um valor limite (cerca de 40-60% da resistência ao escoamento para titânio em serviço ácido). A direção longitudinal é de especial preocupação porque as fissuras na direção axial se propagarão na direção do tubo, resultando em fissuras catastróficas.

Valores quantitativos de tensão residual para diferentes métodos de trefilação

As tensões residuais medidas por difração de-raios X em tubos de titânio grau 2 revelaram padrões típicos de tensão superficial longitudinal:

Desenho afundado (sem mandril interno, tubo reduzido apenas por matrizes externas) A superfície externa desenvolve tensão residual de tração de 80 a 120 MPa. Tensões residuais compressivas (50 a 80 MPa) surgem na superfície interna. A exposição externa ao H2S pode causar SSC na superfície externa tensionada.

Trefilação do mandril (tubo trefilado sobre mandril interno fixo): A superfície externa desenvolve tensão residual compressiva de 40–70 MPa. Gera tensão residual de tração de 100-150 MPa na superfície interna. A superfície elástica interna é suscetível a SSC pela exposição interna ao H2S.

Desenho do tampão (mandril flutuante, redução moderada) Padrão de tensão residual balanceado com ambos os lados de 20 a 50 MPa (tração ou compressão dependendo da taxa de redução). Melhor para serviço azedo.

Estiramento a frio + recozimento com alívio de tensão (540 graus, 30 min): deformações residuais diminuíram para <15 MPa em ambas as superfícies, independente do processo de trefilação. Bom para serviço azedo severo.

Suscetibilidade SSC baseada em padrão de estresse residual

Após testes controlados na Solução A NACE TM0177 (NaCl a 5%, ácido acético a 0,5%, saturado com H₂S, pH 2,7, 25 graus), foram determinados os seguintes limites de SSC:

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

Tensão de tração superficial de 30-60MPa: tempo de início do SSC de 500 a 1.000 h. Adequado para serviços não críticos com inspeção periódica.

Tensão de tração superficial 60-100 MPa: Tempo de início do SSC 100-500 horas. As taxas de propagação de fissuras são de 0,1 a 0,5 mm/h, uma vez estabelecidas.

Iniciação de SSC em tensão de tração superficial > 100 MPa em < 24-100 h. A falha do tubo ocorre em poucas semanas devido à rápida propagação de trincas.

Guia de seleção de método de desenho de serviço azedo

A tabela abaixo é uma matriz de decisão para procedimentos de trefilação de tubos com base na gravidade do serviço ácido e na direção da exposição ao estresse.

Condição de serviço ácido e local de exposição a H₂S Método de desenho recomendado Padrão de tensão residual e mitigação de risco SSC
Apenas exposição externa a H₂S (tubo imerso em salmoura ácida, gás interno seco ou inerte) Desenho do tampão com recozimento para alívio de tensão Superfície externa com compressão ou baixa tensão. Estresse residual<30 MPa. Max SSC resist.
Somente exposição interna ao H2S (gás ácido dentro do tubo, ambiente externo limpo) Desenho afundado (compressão da superfície interna) Tensão de compressão na superfície interna (50 a 80 MPa). Superfície externa elástica, não exposta. Está tudo bem.
Ambas as superfícies em contato com H2S (tubo imerso em líquido ácido, gás ácido interno) Plus plug draw, alívio total da tensão Tensão residual em ambas as superfícies<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Baixa pressão parcial de H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Tração de mandril padrão sem alívio de tensão A tensão de tração da superfície interna é permitida devido ao menor perigo de SSC. Monitoramento trimestral de pH.
High H2S partial pressure (>1 psi), pH baixo (<4), Temperature >Desenho de plugue a 80oC, liberação de tensão e shot peening de superfícieO shot peening cria uma camada de compressão (150-200 MPa), independentemente do procedimento de desenho. Mais confiável.
Além da engenharia de tensão residual -

O tempo de propagação do SSC depende da espessura da parede e não do início do SSC. Uma parede mais espessa (1,5 mm) e com uma grande tensão residual de tração (100 MPa) também pode rachar, mas leva mais tempo para a fissura passar. O diâmetro do tubo também é importante: para a mesma redução de estiramento, diâmetros maiores (50 mm versus 20 mm) apresentam maiores magnitudes de tensão residual, devido à maior deformação diferencial. O limite de concentração de H2S para SSC em titânio é de cerca de 0,01 psi de pressão parcial a 25 graus e diminui para 0,001 psi a 80 graus. As adições de liga nas ligas de titânio Grau 7 e Grau 12 resultam em uma resistência SSC muito mais forte do que nas ligas de grau 2, com tolerância à tensão residual 50–100% maior.

Fazendo uma especificação bem informada

Para serviço ácido, ao especificar um tubo de aquecimento de titânio, inclua a necessidade de medição da tensão residual em uma amostra representativa por difração de-raios X ou método de perfuração-de furo. Procedimento de fabricação: - desenho do plugue - recozimento de alívio de tensão (540 graus, 30 minutos, atmosfera de argônio) Solicite a confirmação de que a tensão residual da superfície longitudinal é menor ou igual a 30 MPa (tração) em qualquer superfície exposta ao H2S. Especifique titânio Grau 7 para serviço com acidez severa (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 graus) independente da tensão residual, com um tratamento de shot peening de superfície para fornecer uma camada compressiva. Inspecione o tubo do aquecedor trimestralmente usando a técnica de resistência elétrica em serviço. Um aumento de 5 a 10 por cento indica provável início de fratura do SSC e requer inspeção ultrassônica rápida. O engenheiro usa seleção de método de desenho e pós{6}}processamento para regular padrões de tensão residual e evitar fissuras por tensão de sulfeto, que é um dos mecanismos de falha mais difíceis para equipamentos de serviço ácido de titânio.