管引き抜きによる長手方向残留応力パターンは、酸性使用環境における硫化物応力亀裂の感受性にどのような影響を与えるのでしょうか?

硫化水素 (H 2 S) を含む過酷な使用条件は、金属部品にとって最も困難な用途の 1 つです。一般に、チタン合金は、炭素鋼や低合金鋼とは対照的に、硫化物応力亀裂 (SSC) に対して耐性があります。-。ただし、チタンは、低い pH、高い塩化物濃度、80 度を超える温度、引張応力の存在など、特定の条件下では脆弱になることがあります。管の引き抜き中に誘発される長手方向の残留応力のパターンは、SSC の感受性に大きく影響します。中空のビレットを通してマンドレルを引き抜くと、管の引き抜き加工で直径と肉厚が減少します。この方法では、チューブが内部マンドレルなしで引抜される (沈み引き) か、固定マンドレル上で引抜されるかに応じて、外面に引張応力、内面に圧縮応力、またはその逆の残留応力の特徴的なパターンが生成されます。引張残留応力がかかった表面では、SSC が発生するリスクが大幅に高まります。

残留応力部位における SSC 開始のメカニズム

H₂S を含む環境で発生する水素脆化は、硫化物応力亀裂と呼ばれます。硫化水素は水素の再結合プロセスを阻害し、原子状水素を金属格子に打ち込みます。引張応力下で吸収された水素は、粒界、介在物、表面欠陥などの三軸応力集中箇所に拡散します。水素はチタン粒界の凝集力を低下させ、- 間または粒内亀裂の伝播を引き起こします。使用中にかかる応力 (圧力、熱膨張、取り付けの制限) は、チューブの引き抜きによる残留引張応力と合計されます。 SSC の開始は、引張応力の合計がしきい値 (サワーサービスにおけるチタンの降伏強度の約 40 ～ 60%) に達したときに発生します。軸方向の亀裂はチューブ方向に伝播し、壊滅的な亀裂を引き起こすため、長手方向は特に懸念されます。

各種伸線方法の定量的残留応力値

グレード 2 チタンチューブの X- 線回折によって測定された残留応力により、典型的な縦方向の表面応力パターンが明らかになりました。

沈み絞り（内部マンドレルなし、外部ダイスのみでチューブを絞り加工） 外表面には80～120MPaの引張残留応力が発生します。内面には圧縮残留応力（50～80MPa）が発生します。外部から H2S にさらされると、引張外面に SSC が発生する可能性があります。

マンドレル引き抜き (固定内部マンドレル上でチューブを引き抜く): 外表面に 40 ～ 70 MPa の圧縮残留応力が発生します。内面に100～150MPaの引張残留応力を発生させます。内側の引張表面は、内部 H2S 暴露による SSC の影響を受けやすくなります。

プラグ引抜き（フローティングマンドレル、中程度の圧下） 両側で 20 ～ 50 MPa のバランスのとれた残留応力パターン（圧下率に応じて引張または圧縮）。渋いサービスに最適。

冷間引抜 + 歪取り焼鈍 (540 度、30 分): 引抜プロセスに関係なく、両面の残留歪みが 15 MPa 未満に減少しました。厳しい酸味のサービスに適しています。

残留応力パターンに基づく SSC 感受性

NACE TM0177 溶液 A (5% NaCl、0.5% 酢酸、H2S で飽和、pH 2.7、25 度) での管理されたテストの後、次の SSC 閾値が決定されました。

表面引張応力<30 MPa: No SSC initiation after 1000 hours. Safe for any sour service.

30-60MPa の表面引張応力: 500 ～ 1,000 時間の SSC 開始時間。定期点検を伴う重要でないサービスに適しています。

表面引張応力60～100MPa：SSC開始時間100～500時間。亀裂の伝播速度は、確立されると 0.1 ～ 0.5 mm/hr になります。

表面引張応力 > 100 MPa で 24 ～ 100 時間以内に SSC が開始します。急速な亀裂の伝播により、チューブの破損は数週間で発生します。

サワーサービスの描画方法選択ガイド

以下の表は、サワーサービスの重大度と応力曝露の方向に基づいたチューブの引き抜き手順の決定マトリックスです。

酸性の使用条件と H₂S 暴露場所 推奨される絞り方法 残留応力パターンと SSC リスクの軽減
外部 H₂S 曝露のみ (チューブを酸性ブライン、内部乾燥ガスまたは不活性ガスに浸漬) 応力除去焼きなましによるプラグ絞り加工 圧縮または低張力の外面。残留応力<30 MPa. Max SSC resist.
内部 H2S 曝露のみ (チューブ内部は酸性ガス、外部はクリーン環境) 沈め絞り (内面圧縮) 内面に圧縮応力 (50 ～ 80 MPa)。張力のある外側表面、露出していません。大丈夫です。
H2S に接触する両面 (酸性液体、内部酸性ガスに浸したチューブ) プラスプラグドロー、完全な張力緩和 両面の残留応力<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
低い H2S 分圧 (<0.1 psi), high pH (>4.5) 標準マンドレル引抜き応力緩和なし SSC の危険性が低いため、内面の引張応力は許容されます。四半期ごとの pH モニタリング。
High H2S partial pressure (>1 psi)、低 pH (<4), Temperature >80oC プラグ伸線、応力解放と表面ショットピーニングショットピーニングにより、伸線手順に関係なく圧縮層 (150 ～ 200 MPa) が形成されます。最も信頼できる。
残留応力工学を超えて -

SSC の伝播時間は、SSC の開始ではなく壁の厚さに依存します。壁が厚く (1.5 mm)、残留引張応力 (100 MPa) が大きい場合も亀裂が発生する可能性がありますが、亀裂が貫通するまでに時間がかかります。チューブの直径も重要です。同じ絞り縮小率の場合、直径が大きいほど (50 mm と 20 mm)、変形差が大きくなるため、残留応力の大きさが大きくなります。チタン中の SSC の閾値 H2S 濃度は、25 度で約 0.01 psi 分圧であり、80 度では 0.001 psi まで減少します。グレード 7 およびグレード 12 のチタン合金に合金を添加すると、グレード 2 よりもはるかに強力な SSC 耐性が得られ、残留応力耐性が 50 ～ 100% 向上します。

知識に基づいた仕様の作成

サワー サービスの場合、チタン ヒーター チューブを指定する際には、X- または穴あけ法による代表サンプルの残留応力の測定の必要性を含めてください。-製造手順: - プラグ絞り - 歪取り焼鈍 (540 度、30 分、アルゴン雰囲気) H2S にさらされた表面の縦方向の表面残留応力が 30 MPa (引張) 以下であることの確認を要求します。重度の酸っぱいサービス（pH）にはグレード 7 チタンを指定してください。<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60度）残留応力に依存せず、表面にショットピーニング処理を施し、圧縮層を設けています。使用中に電気抵抗法を使用してヒーターチューブを四半期ごとに検査してください。 5 ～ 10% の増加は、SSC 骨折が始まっている可能性が高いことを示しており、迅速な超音波検査が必要です。エンジニアは、引抜き方法の選択と後処理を使用して、残留応力パターンを調整し、チタンサワーサービス機器の最も困難な故障メカニズムの 1 つである硫化物応力亀裂を防止します。{6}}