原油前処理用の脱塩ヒーター (130 度の 5% のブライン洗浄水を含む) では、チタン管の壁の厚さが硫化水素の存在とどのように相互作用して、溶接部に硫化物応力亀裂を引き起こすのでしょうか?

原油脱塩サービス用のチタン ヒーター設計 - 基本的な妥協点
原油脱塩装置は、130℃の原油に洗浄水（5%ブライン）を注入して塩と粒子を除去します。塩水には、酸性原油からの塩化物と硫化水素 (H 2 S) が含まれています。粗塩水の混合物はチタンチューブ内で予熱されます。硫化物応力亀裂 (SSC) の基準は、H 2 S、塩化物の存在、温度上昇、溶接継手での残留引張ひずみです。 SSC は一種の水素脆化であり、H2S 腐食による原子状水素がチタンに拡散して脆い水素化物を形成します。壁の厚さは、溶接部の残留応力レベルと水素濃度勾配に影響を与えます。壁が厚ければ厚いほど、溶接による残留応力が大きくなり（制限が大きくなり）、複雑な相互作用となる拡散ルートが長くなります -。

この調査では、脱塩装置の使用における溶接継手の SSC 感受性に及ぼす肉厚の影響について説明します。

溶接部における SSC メカニズム: 機械的完全性への影響
Titanium is progressively corroded in the presence of H₂S at 130°C: Ti + 2H_2S ->TiS_2 + 2H_2 このように生成された原子状水素はチタン格子を貫通する可能性があります。引張応力の領域で水素濃度が 150 ～ 200 ppm に近づくと、水素化チタン (TiH2) が粒界に析出します。水素化物は脆く、残留張力によって破壊されます。溶接により熱影響部 (HAZ) に 150-250 MPa の残留引張歪みが生じるため、溶接継手は特にこの影響を受けやすくなります。さらに、HAZ は独特の微細構造である針状アルファプライムマルテンサイトを有しており、母材金属よりも容易に水素を吸収します。

壁の厚さは溶接残留応力に影響します。特定のチューブ直径の場合、壁が厚くなると（熱質量が大きくなるため）溶接後の冷却速度が速くなり、残留応力が増加します。有限要素解析の結果、外径 20 mm の管の溶接 HAZ における最大残留応力は次のようになります。

肉厚1.0mm：180MPa

220 MPa (1.5 mm 壁の場合)

2.0 mm 肉厚: 260 MPa (降伏に近い)

残留応力が高くなると、亀裂が発生する臨界水素濃度が減少します。 1.0 mm の壁は亀裂が生じる前に 200 ppm の水素に耐えることができますが、2.0 mm の壁では応力が増加するため、120 ppm でしか亀裂が入りません。

熱性能効果: 拡散と温度勾配
水素の拡散は壁を横切る熱差の影響を受けます。バルク温度 130 度では、2.0 W/cm 2 の場合、1.0 mm の壁の内面温度は約 133 度ですが、2.0 mm の壁の内面温度は 136 度です。 3 度の差により、水素の拡散係数が最大 15% 上昇し、それにより、より厚い壁への水素の侵入がわずかに速くなります。この効果は残留応力の差に二次的に影響します。

トレードオフの総合: -肉厚と SSC 抵抗
肉厚 (mm) 溶接残留応力 (MPa) 亀裂の臨界 H 濃度 (ppm) HAZ での臨界 H までの時間 (10 ppm/月の吸収で月) リスク SSC
1.0mm 180MPa 200ppm 20ヶ月 中程度
1.2mm 195MPa 180ppm 18ヶ月 中
1.5 mm 220 MPa 150 ppm 15 か月、高 1.8 mm 245 MPa 130 ppm 13 か月、高 2.0 mm 260 MPa 120 ppm 12 か月、高 (1 年持続しません)
通常、壁が広いほど SSC に対してより脆弱になります。これは、破壊に必要な水素濃度を低下させる溶接残留応力に対してより脆弱であるためです。 1.0mm肉厚は2.0mm肉厚よりも耐SSC性が優れています。

溶接応力緩和と合金のアップグレード: フェンスを超えたエンジニアリング
残留応力が大きくなることが問題となるため、肉厚に関係なく歪取り焼鈍（540度、1時間）を行うことで溶接残留応力を70～80％低減します。応力が緩和された 2.0 mm の壁の残留応力は 50-70 MPa で、非常に SSC 耐性に優れています。ただし、サイズの制限により、多くの脱塩ヒーターはアニールできません。溶接されたままのヒーターの場合、残留応力を減らすために、より薄い壁 (1.0 ～ 1.2 mm) をお勧めします。チタン (Ti-0.3% Mo-0.8% Ni) をグレード 2 からグレード 12 にアップグレードすると、モリブデンが不動態皮膜を安定化し、水素吸収を減少させるため、耐 SSC 性が向上します。肉厚 1.5 mm で焼きなましなしのグレード 12 溶接管は、肉厚 1.0 mm のグレード 2 管と同様の耐 SCC 性を持っています。

結論: 脱塩装置の使用における SSC 耐性には、薄い壁 (1.0 ～ 1.2 mm) が好ましいです。
130 度の H2S を含む 5% のブライン洗浄水を使用する原油前処理脱塩装置ヒーター内のチタン管の壁厚と溶接部の硫化物応力亀裂との関係は直観に反しています。溶接により高い残留応力が発生し、亀裂発生の臨界水素濃度が低下するため、壁が厚くなるほど SSC の影響を受けやすくなります。 SSC リスクは、12 か月以内に破損した残留応力 260 MPa の 2.0 mm 壁よりも、残留応力 180 MPa の 1.0 mm 壁の方が低かった。推奨標準は、肉厚 1.0 ～ 1.2 mm のグレード 2 チタン チューブです。-表面の汚染物質を除去するために溶接後に酸洗いを行った状態で溶接（焼き鈍しなし）-しています。溶接後の応力除去焼きなましを行う場合を除き、厚い壁の使用は避けてください。サワー原油脱塩サービスヒーターの場合、溶接残留応力測定が必要です（<200 MPa) or specify Grade 12 titanium for higher inherent SSC resistance. Wall thickness isn't a safety margin SSC-thinner is better.