シームレスチタンヒーターの管絞り減少率（15%対. 30%）は、60度でのサワーサービスにおける水素-誘発亀裂の閾値応力にどのように影響しますか？
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継ぎ目のないチタンのヒーター チューブは、通常、1 パスあたり 15 ～ 30 パーセント程度の縮小率でダイスを通して引き抜くことによって製造されます。圧下率によって、最終的な管の冷間加工量、転位密度、結晶組織が決まります。水素誘起亀裂 (HIC) は、60 度の硫化水素 (H2S) を含む酸っぱい使用環境で、局所的な水素濃度が末端固溶度を超えると発生します。 HIC 閾値応力、つまり、所定の水素濃度で亀裂が発生する最低引張応力は、チューブの微細構造に直接依存します。縮小率が増加すると (30%)、粒子サイズがより細かくなり、転位密度が高くなり、水素トラップ サイトが増加し、しきい値応力が増加します。縮小率が 15% と低いと、結晶粒が大きくなり、トラップが少なくなり、しきい値応力が 40 ～ 70 MPa 低下します。
引抜管における水素トラップと亀裂発生メカニズム
チタンでは、転位、粒界、空孔が水素トラップとして機能します。高い還元率によるより微細な粒子により、単位体積あたりの粒界面積が増加し、水素がより均一に分布し、水素化物の析出が遅れます。 HIC の閾値応力は、関係 σ_th=σ_0 + k × ρ_dislocations^{0.5} で与えられます。ここで、σ_0 は固有抵抗、ρ_dislocations は転位密度です。転位密度は、縮小率 30% の場合は \\sim 10^{14}-10^{15} m^{-2}、15% の場合は \\sim 10^{13}-10^{14} m^{-2} です。この差により σ_th が 30 ～ 50 MPa 上昇します。また、より高い縮小率による結晶構造により粒子が整列し、基底面に沿った水素の拡散に抵抗します。
さまざまな低減率の閾値応力 - 定量的
グレード 2 チタンチューブの HIC 閾値応力は、60 度のサワーブライン (5% NaCl、0.5% 酢酸、H2S で飽和、pH 3.5) 中で陰極充電しながら制御された試験によって決定されています。圧下率 15% (低冷間加工) では、限界応力は 120 ～ 150 MPa、破壊時の水素濃度は 250 ～ 350 ppm、結晶粒径は ASTM 6 ～ 7 です。 20% 減少すると、閾値応力は 150 ～ 180 MPa に増加し、破壊時の水素濃度は 300 ～ 400 ppm に上昇し、結晶粒径は ASTM 7 ～ 8 になります。 25% 減少時の閾値応力: 170 ～ 200 MPa。破損時の濃度: 350 ～ 450 ppm H。粒度：ASTM 8～9。 30% 減少時の閾値応力 (高冷間加工)=190-220 MPa 破損時の水素濃度=400-500 ppm 結晶粒径=ASTM 9-10 対照的に、0% 冷間加工で完全に焼鈍した管の閾値応力はわずか 80 ～ 110 MPa、結晶粒径は ASTM 4 ～ 5 です。
加えられた応力と水素濃度が亀裂に及ぼす影響
適用される破損時間と応力水素濃度との関係は、圧下率の関数として予測されます。{0} 100 MPa の応力が加えられると、15% 減少したチューブは臨界水素濃度 300 ppm に達します。これには、1 ppm/日の水素吸収速度で約 1 年かかります。 30% 削減した同じチューブの臨界濃度は 450 ppm、寿命は 1.8 年です。 15 % 還元チューブは 150 MPa の応力を加えた場合、200 ppm の水素レベルで 7 か月以内に破損しますが、30 % 還元チューブは 350 ppm の水素レベルで 14 か月以内に破損します。 15% 削減のチューブは、200 MPa の応力と 100 ppm 未満の水素濃度が加わるとすぐに破損しますが、30% 削減のチューブは 280 ppm の水素を必要とし、11 か月間持続します。
減速比選択ガイド サワーサービス（140°F）
以下の表は、H 2 S 分圧、加えられる応力、および予想される耐用年数を考慮した、サワーサービスにおけるグレード 2 チタンシームレスヒーターの管絞り縮小率の選択に関するガイダンスを示しています。
H2S 分圧 (bar) 溶液 pH 最大適用応力 (MPa) 推奨減速比 最小粒径 (ASTM) 予想される HIC 閾値応力 (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 グレード 2 には推奨されません N/AN/A
減速比の選択を超えたエンジニアリング
チタン材種は減速比に関係なく耐HIC性に大きく影響します。パラジウム-で安定化されたグレード 7 は、同じ還元率でグレード 2 よりも閾値応力が 50～100 MPa 高く、これはパラジウム-が触媒する水素の再結合に起因します。グレード 12 では、30 ～ 50 MPa の中程度の改善が見られます。伸線後のアニーリング (540 度で 30 分間応力緩和) により転位密度が減少し、HIC 閾値も減少します。したがって、その後の焼きなましを行わずに冷間引き抜きが、サワーサービス用のチューブの推奨条件となります。閾値応力は壁の厚さに依存しませんが、破壊伝播の期間は変化します。亀裂を含む 2.0 mm の壁は、1.2 mm の壁よりも穴が開くまで長く存続する可能性があります。
自信を持って指定してください
• 60 度でのサワーサービスにおけるシームレス チタン ヒーター チューブの場合は、追加の焼きなましなしで冷間引抜き加工率 25-30% を指定します。 ASTM 8 の最小粒径が必要であり、X- 線回折ピークブロードニング分析による転位密度の証明が必要です。 H₂S 分圧 > 0.2 bar の極度のサワーサービスの場合は、減速比 30% のグレード 7 チタンを指定してください。受入検査中のサンプルセクションの水素充填テスト: 400 ppm の水素を充填し、指定された降伏応力の 80% を適用し、100 時間以内に亀裂が発生した場合はロットを不合格とします。 15% ではなく 30% というより大きな減少率を選択することで、エンジニアは水素誘起亀裂の閾値応力を 40 ～ 70 MPa 改善し、厳しい使用状況での大幅な安全マージンを追加しました。
