Como a taxa de redução do estiramento do tubo (15% vs{1}}%) de um aquecedor de titânio sem costura influencia a tensão limite para rachaduras induzidas por hidrogênio-em serviço ácido a 60 graus?
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Os tubos aquecedores de titânio sem costura são produzidos por trefilação através de matrizes, com reduções geralmente da ordem de 15 a 30 por cento por passagem. A taxa de redução determina a quantidade de trabalho a frio, a densidade de discordância e a textura cristalográfica no tubo final. O craqueamento induzido por hidrogênio (HIC) ocorre em ambientes de serviços ácidos, incluindo sulfeto de hidrogênio (H2S) a 60 graus, quando a concentração local de hidrogênio ultrapassa a solubilidade sólida terminal. A tensão limite HIC, ou seja, a tensão de tração mais baixa na qual ocorre a fissuração em uma determinada concentração de hidrogênio, depende diretamente da microestrutura do tubo. O aumento da taxa de redução (30%) leva a um tamanho de grão mais fino e a uma maior densidade de deslocamento, o que aumenta os locais de retenção de hidrogênio e aumenta a tensão limite. A taxa de redução mais baixa de 15% resulta em grãos maiores e menos armadilhas e, portanto, numa redução da tensão limite de 40–70 MPa.
Mecanismo de captura de hidrogênio e início de rachadura em tubo trefilado
No titânio, discordâncias, contornos de grão e lacunas comportam-se como armadilhas de hidrogênio. Grãos mais finos com taxas de redução mais altas fornecem mais área de contorno de grão por unidade de volume, o que distribui o hidrogênio de maneira mais uniforme e retarda a precipitação do hidreto. A tensão limite para HIC é dada pela relação σ_th=σ_0 + k × ρ_dislocations^{0,5}, onde σ_0 é a resistência intrínseca e ρ_dislocations é a densidade de discordância. As densidades de deslocamento são \\sim 10^{14}-10^{15} m^{-2} para uma taxa de redução de 30% vs \\sim 10^{13}-10^{14} m^{-2} para uma redução de 15%. Essa diferença aumenta σ_th em 30–50 MPa. Além disso, a estrutura cristalográfica de taxas de redução mais altas alinha os grãos para resistir à difusão do hidrogênio ao longo dos planos basais.
Limite de tensão para diferentes taxas de redução - Quantitativo
As tensões limite HIC para tubos de titânio Grau 2 foram determinadas por testes controlados em salmoura ácida (NaCl 5%, ácido acético 0,5%, saturado com H2S, pH 3,5) a 60 graus com carga catódica. Com a taxa de redução de 15% (baixo trabalho a frio), a tensão limite é de 120-150 MPa, a concentração de hidrogênio na falha é de 250-350 ppm e o tamanho de grão é ASTM 6-7. Com uma redução de 20%, a tensão limite aumenta para 150~180 MPa, a concentração de hidrogênio na falha sobe para 300~400 ppm e o tamanho do grão é ASTM 7~8. Tensão limite com redução de 25%: 170–200 MPa; concentração na falha: 350–450 ppm H; tamanho de grão: ASTM 8–9. Tensão limite com redução de 30% (alto trabalho a frio)=190-220 MPa Concentração de hidrogênio na falha=400-500 ppm Tamanho de grão=ASTM 9-10 Em contraste, tubos totalmente recozidos com 0% de trabalho a frio têm uma tensão limite de apenas 80 a 110 MPa e um tamanho de grão de ASTM 4 a 5.
Efeito da tensão aplicada e da concentração de hidrogênio na fissuração
As relações entre o tempo aplicado até a falha e a concentração-de estresse de hidrogênio são previstas como uma função da taxa de redução. A uma tensão aplicada de 100 MPa, um tubo com redução de 15% atinge uma concentração crítica de hidrogênio de 300 ppm, o que leva cerca de 1 ano a uma taxa de absorção de hidrogênio de 1 ppm/dia. Esse mesmo tubo com redução de 30% tem concentração crítica de 450 ppm e vida útil de 1,8 anos. O tubo de redução de 15% falha no nível de hidrogênio de 200 ppm com tensão aplicada de 150 MPa em 7 meses, enquanto o tubo de redução de 30% falha no nível de hidrogênio de 350 ppm em 14 meses. O tubo com redução de 15% falha rapidamente com tensão aplicada de 200 MPa e concentração de hidrogênio abaixo de 100 ppm, enquanto o tubo com redução de 30% requer 280 ppm de hidrogênio e dura 11 meses.
Guia de seleção da taxa de redução Serviço ácido a 140 graus F
A tabela abaixo fornece orientação sobre a escolha da taxa de redução do estiramento do tubo para aquecedores sem costura de titânio Grau 2 em serviço ácido, considerando a pressão parcial de H 2 S, tensão aplicada e vida útil esperada.
Pressão parcial de H2S (bar) Solução pH Tensão máxima aplicada (MPa) Taxa de redução recomendada Tamanho mínimo de grão (ASTM) Tensão limite HIC esperada (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 Não recomendado para Grau 2 N/AN/A
Engenharia além da escolha da taxa de redução
O grau de titânio tem um efeito substancial na resistência HIC, independentemente da taxa de redução. Grau 7 estabilizado-de paládio tem tensões limite 50–100 MPa maiores que Grau 2 na mesma taxa de redução, atribuída à recombinação de hidrogênio-catalisada por paládio. O grau 12 apresenta melhora moderada de 30-50 MPa. O recozimento após a trefilação (alívio de tensão a 540 graus por 30 min.) reduz a densidade de deslocamento e também diminui o limiar HIC. A trefilação a frio, sem recozimento subsequente, é, portanto, a condição recomendada do tubo para serviço ácido. A tensão limite é independente da espessura da parede, embora altere a duração da propagação da fratura: uma parede de 2,0 mm contendo uma fissura pode durar mais até a perfuração do que uma parede de 1,2 mm.
Especifique com confiança
• Para tubo aquecedor de titânio sem costura em serviço ácido a 60 graus, especifique a taxa de redução trefilada a frio de 25-30% sem recozimento adicional. É necessário um tamanho mínimo de grão ASTM 8 e é necessária a certificação da densidade de deslocamento por análise de alargamento de pico de difração de raios X. Para serviços extremamente ácidos com pressão parcial de H₂S > 0,2 bar, especifique titânio Grau 7 com taxa de redução de 30%. Teste de carga de hidrogênio na seção de amostra durante a inspeção de entrada: carregue até 400 ppm de hidrogênio e, em seguida, aplique 80% da tensão de escoamento especificada, rejeite o lote se ocorrer rachadura dentro de 100 horas. Ao escolher uma taxa de redução maior de 30% em vez de 15%, o engenheiro melhora a tensão limite para fissuração induzida por hidrogênio em 40–70 MPa, adicionando uma margem de segurança significativa em situações de serviço ácido.
