Em um dessalinizador para pré{0}tratamento de petróleo bruto (contém 5% de água de lavagem com salmoura a 130 graus), como a espessura da parede do tubo de titânio interage com a presença de sulfeto de hidrogênio para causar rachaduras por tensão de sulfeto nas soldas?

Projeto de aquecedor de titânio para serviço de dessalinização de petróleo bruto - O compromisso básico
Dessalinizadores de petróleo bruto injetam água de lavagem (5% de salmoura) no petróleo bruto a 130°C para remover sal e partículas. A salmoura compreende cloretos e sulfeto de hidrogênio (H 2 S) de petróleo bruto ácido. A combinação de-salmoura bruta é pré-aquecida em tubos de titânio. Os critérios para fissuração sob tensão por sulfeto (SSC) são a presença de H 2 S, cloretos, aumento de temperatura e deformações de tração residuais nas juntas soldadas. SSC é uma espécie de fragilização por hidrogênio onde o hidrogênio atômico da corrosão por H2S se difunde no titânio para formar hidretos frágeis. A espessura da parede impacta o nível de tensão residual nas soldas e o gradiente de concentração de hidrogênio. Quanto mais espessa a parede, mais tensões residuais da soldagem (mais restrição) e mais longas serão as rotas de difusão - uma interação complexa.

Esta investigação descreve o efeito da espessura da parede na suscetibilidade do SSC em juntas soldadas em serviços de dessalinização.

Mecanismo SSC em Soldas: Impacto na Integridade Mecânica
Titanium is progressively corroded in the presence of H₂S at 130°C: Ti + 2H_2S ->TiS_2 + 2H_2 O hidrogênio atômico assim produzido pode penetrar na estrutura do titânio. Quando a concentração de hidrogênio se aproxima de 150–200 ppm em uma área de tensão de tração, o hidreto de titânio (TiH2) precipita nos limites dos grãos. O hidreto é frágil e fraturará com tensão residual. As juntas soldadas são especialmente vulneráveis ​​a isso, pois a soldagem produz deformações de tração residuais de 150-250 MPa na zona afetada pelo calor (ZTA). Além disso, a ZTA possui uma microestrutura distinta, a martensita alfa-prime acicular, que absorve hidrogênio mais facilmente do que o metal base.

A espessura da parede influencia a tensão residual da solda. Para um determinado diâmetro de tubo, uma parede mais espessa resulta numa maior taxa de resfriamento após a soldagem (devido à maior massa térmica), o que aumenta a tensão residual. O estudo de elementos finitos mostra que a tensão residual máxima na ZAC de solda de um tubo com diâmetro externo de 20 mm é:

Parede 1,0 mm: 180 MPa

220 MPa para parede de 1,5 mm

Parede de 2,0 mm: 260 MPa (perto do rendimento)

Uma tensão residual mais elevada diminui a concentração crítica de hidrogénio para a fissuração. Uma parede de 1,0 mm pode suportar 200 ppm de hidrogênio antes de rachar, enquanto uma parede de 2,0 mm pode rachar apenas a 120 ppm devido ao aumento da tensão.

Efeito de desempenho térmico: difusão e gradiente de temperatura
A difusão do hidrogênio é afetada pelo diferencial de calor através da parede. A uma temperatura aparente de 130 graus, a temperatura da superfície interna de uma parede de 1,0 mm é de cerca de 133 graus para 2,0 W/cm2, enquanto a de uma parede de 2,0 mm é de 136 graus. A diferença de 3 graus aumenta o coeficiente de difusão do hidrogênio em aproximadamente 15%, acelerando marginalmente a entrada de hidrogênio para a parede mais espessa. Este efeito é secundário ao diferencial de tensão residual.

Síntese de trade{0}}off: espessura da parede versus resistência SSC
Espessura da parede (mm) Tensão residual da solda (MPa) Concentração crítica de H para trincas (ppm) Tempo para H crítico na ZTA (meses com absorção de 10 ppm/mês) Risco SSC
1,0 mm 180 MPa 200 ppm 20 meses Moderado
1,2 mm 195 MPa 180 ppm 18 meses Médio
1,5 mm 220 MPa 150 ppm 15 meses. Alta 1,8 mm 245 MPa 130 ppm 13 meses Alta 2,0 mm 260 MPa 120 ppm 12 meses Alta (não dura 1 ano)
Paredes mais largas são geralmente mais vulneráveis ​​ao SSC porque são mais vulneráveis ​​às tensões residuais de solda que reduzem a concentração de hidrogênio necessária para a ruptura. Uma parede de 1,0 mm tem maior resistência ao SSC do que uma parede de 2,0 mm.

Alívio de tensões de solda e atualização de ligas: engenharia além da cerca
Como o problema é a maior tensão residual, o recozimento para alívio de tensão (540 graus por 1 hora) é usado para reduzir a tensão residual da solda em 70-80%, independentemente da espessura da parede. Uma parede de 2,0 mm com alívio de tensão tem tensão residual de 50-70 MPa e é muito resistente ao SSC. No entanto, devido a limitações de tamanho, muitos aquecedores dessalinizadores não podem ser recozidos. Para aquecedores soldados, são recomendadas paredes mais finas (1,0–1,2 mm) para diminuir a tensão residual. A atualização do titânio (Ti-0,3% Mo-0,8% Ni) do Grau 2 para o Grau 12 aumenta a resistência do SSC porque o molibdênio estabiliza o filme passivo e diminui a absorção de hidrogênio. Um tubo soldado Grau 12 com parede de 1,5 mm e sem recozimento tem uma resistência SCC semelhante a um tubo Grau 2 com parede de 1,0 mm.

Conclusão: Paredes mais finas (1,0 a 1,2 mm) são preferidas para resistência ao SSC em serviços de dessalinização.
A relação entre a espessura da parede dos tubos de titânio em um aquecedor dessalinizador de pré-tratamento de petróleo bruto usando água de lavagem com salmoura a 5% contendo H2S a 130 graus e a fissuração por tensão de sulfeto nas soldas é contra-intuitiva: paredes mais espessas aumentam a suscetibilidade ao SSC, porque a soldagem produz tensões residuais mais altas que reduzem a concentração crítica de hidrogênio para fissuração. O risco de SSC foi menor para uma parede de 1,0 mm com tensão residual de 180 MPa do que para uma parede de 2,0 mm com tensão residual de 260 MPa que falhou em 12 meses. O padrão recomendado é tubo de titânio grau 2, espessura de parede de 1,0 a 1,2 mm, conforme-soldado (sem recozimento) com decapagem pós-soldagem para remover contaminantes da superfície. Evite o uso de paredes mais espessas, a menos que seja realizado um recozimento para alívio de tensões pós-soldagem. Para aquecedores de serviço de dessalinização de petróleo bruto ácido, exija medição de tensão residual de solda (<200 MPa) or specify Grade 12 titanium for higher inherent SSC resistance. Wall thickness isn't a safety margin SSC-thinner is better.