כיצד משפיע יחס הפחתת שרטוט הצינור (15% לעומת. 30%) של מחמם טיטניום ללא תפרים על מתח הסף למימן-הסדק שנגרם בשירות חמוץ ב-60 מעלות?
השאר הודעה
צינורות חימום מטיטניום חלקים מיוצרים על ידי משיכה מבעדים, עם הפחתות בדרך כלל בסדר גודל של 15 עד 30 אחוז לכל מעבר. יחס ההפחתה קובע את כמות העבודה הקרה, צפיפות הנקע והמרקם הקריסטלוגרפי בצינור הסופי. פיצוח המושרה על ידי מימן-(HIC) מתרחש בסביבות שירות חמוצות כולל מימן גופרתי (H2S) ב-60 מעלות כאשר ריכוז המימן המקומי עולה על מסיסות המוצק הסופית. מתח סף HIC, כלומר מתח המתיחה הנמוך ביותר שבו מתרחש פיצוח בריכוז מימן נתון, תלוי ישירות במבנה המיקרו של הצינור. יחס צמצום מוגבר (30%) מוביל לגודל גרגר עדין יותר וצפיפות נקע גבוה יותר מה שמגדיל את אתרי לכידת המימן ומגביר את מתח הסף. יחס ההפחתה הנמוך יותר של 15% מביא לגרגרים גדולים יותר ולפחות מלכודות ומכאן להפחתת מתח הסף של 40-70 MPa.
מנגנון לכידת מימן ומנגנון התחלת סדק בצינור נמשך
בטיטניום, נקעים, גבולות גרגרים ומקומות פנויים מתנהגים כמלכודות מימן. גרגירים עדינים יותר מיחסי הפחתה גבוהים יותר מספקים יותר שטח גבול גרגר ליחידת נפח, מה שמפיץ מימן בצורה שווה יותר ומעכב את משקעי ההידריד. מתח הסף עבור HIC ניתן על ידי היחס σ_th=σ_0 + k × ρ_dislocations^{0.5}, כאשר σ_0 היא ההתנגדות הפנימית ו-ρ_dislocations היא צפיפות הנקע. צפיפות הנקע הם \\sim 10^{14}-10^{15} m^{-2} עבור יחס הפחתה של 30% לעומת \\sim 10^{13}-10^{14} m^{-2} עבור 15% הפחתה. הבדל זה מעלה את σ_th ב-30–50 MPa. כמו כן, המבנה הקריסטלוגרפי מיחסי הפחתה גבוהים יותר מיישר גרגירים כדי להתנגד לפזרת מימן לאורך מישורים בסיסיים.
מתח סף ליחסי הפחתה שונים - כמותי
מתחי סף HIC עבור צינורות טיטניום דרגה 2 נקבעו על ידי בדיקה מבוקרת במלח חמוץ (5% NaCl, 0.5% חומצה אצטית, רווי H2S, pH 3.5) ב-60 מעלות עם טעינה קתודית. עם יחס הפחתה של 15% (עבודה קרה נמוכה), מתח הסף הוא 120-150 MPa, ריכוז המימן בכשל הוא 250-350 ppm וגודל הגרגיר הוא ASTM 6-7. עם הפחתה של 20%, מתח הסף עולה ל-150~180 MPa, ריכוז המימן בכשל מטפס ל-300~400 ppm וגודל הגרגירים הוא ASTM 7~8. מתח סף בהפחתה של 25%: 170–200 MPa; ריכוז בכשל: 350-450 ppm H; גודל גרגר: ASTM 8–9. מתח סף בהפחתה של 30% (עבודה קרה גבוהה)=190-220 MPa ריכוז מימן בכשל=400-500 ppm גודל גרגר=ASTM 9-10 לעומת זאת, לצינורות חישול מלא עם 0% עבודה קרה יש מתח סף של 80 עד 110 MPa בלבד וגודל גרגר של ASTM 4.
השפעת מתח מופעל וריכוז מימן על פיצוח
הקשרים בין הזמן המופעל עד לכישלון וריכוז המימן-המתח צפויים כפונקציה של יחס ההפחתה. בלחץ מופעל של 100 MPa, צינור עם הפחתה של 15% מגיע לריכוז מימן קריטי של 300 ppm, אשר לוקח בערך שנה אחת בקצב ספיגת מימן של 1 ppm ליום. לאותו צינור עם הפחתה של 30% יש ריכוז קריטי של 450 ppm וחיים של 1.8 שנים. צינור ההפחתה של 15% נכשל ברמת מימן של 200 ppm בלחץ מופעל של 150 MPa תוך 7 חודשים, בעוד שפופרת הפחתה של 30% נכשלת ברמת מימן של 350 ppm תוך 14 חודשים. הצינור עם הפחתה של 15% נכשל במהירות עם לחץ מופעל של 200 MPa וריכוז מימן מתחת ל-100 ppm, ואילו הצינור עם הפחתה של 30% דורש 280 ppm של מימן ומחזיק מעמד למשך 11 חודשים.
מדריך לבחירת יחס הפחתת שירות חמוץ ב-140 מעלות פרנהייט
הטבלה שלהלן מספקת הנחיות לגבי בחירת יחס הפחתת שרטוט צינורות עבור מחממי טיטניום ללא תפרים דרגה 2 בשירות חמוץ בהתחשב בלחץ חלקי H 2 S, מתח מופעל וחיי שירות צפויים.
H2S לחץ חלקי (בר) תמיסה pH מתח מופעל מרבי (MPa) יחס הפחתה מומלץ גודל גרגר מינימלי (ASTM) מתח סף HIC צפוי (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 לא מומלץ לדרגה 2 N/AN/A
הנדסה מעבר לבחירת יחס ההפחתה
לדרגת טיטניום השפעה ניכרת על עמידות HIC ללא קשר ליחס ההפחתה. פלדיום-מיוצב בדרגה 7 יש מתח סף 50-100 MPa גבוהים יותר מדרגה 2 באותו יחס הפחתה, המיוחסים לרקומבינציית מימן מזורזת של פלדיום-. לכיתה 12 יש שיפור מתון של 30-50 MPa. חישול לאחר ציור (הקלת מתח ב-540 מעלות למשך 30 דקות) מפחית את צפיפות הנקע וגם מקטין את סף HIC. משיכה קרה, ללא חישול לאחר מכן, היא אפוא המצב המומלץ של צינור לשירות חמוץ. מתח הסף אינו תלוי בעובי הדופן, אם כי הוא משנה את משך התפשטות השבר: קיר של 2.0 מ"מ המכיל סדק עשוי לחיות זמן רב יותר עד לנקב מאשר דופן של 1.2 מ"מ.
ציין בביטחון
• לצינור מחמם טיטניום ללא תפרים בשירות חמוץ ב-60 מעלות, ציין יחס הפחתת משיכה קרה של 25-30% ללא חישול נוסף. נדרש גודל גרגר מינימלי של ASTM 8, ונדרש אישור של צפיפות נקע על ידי ניתוח הרחבת שיא עקיפה של קרני רנטגן. לשירות חמוץ קיצוני עם לחץ חלקי H₂S > 0.2 בר, ציין טיטניום דרגה 7 עם יחס הפחתה של 30%. בדיקת טעינת מימן בקטע המדגם במהלך בדיקה נכנסת: טען ל-400 עמודים לדקה מימן, ולאחר מכן הפעל 80% ממתח התפוקה שצוין, דחה מנה אם מתרחש פיצוח תוך 100 שעות. על ידי בחירת יחס הפחתה גדול יותר של 30% במקום 15%, המהנדס משפר את מתח הסף עבור פיצוח המושרה במימן ב-40-70 MPa, ומוסיף מרווח בטיחות משמעותי במצבי שירות חמוץ.
