Comment le modèle de contrainte résiduelle longitudinale provenant du tréfilage des tubes affecte-t-il la susceptibilité à la fissuration sous contrainte par sulfure dans les environnements de service acides ?

Les conditions de service acides contenant du sulfure d'hydrogène (H 2 S) comptent parmi les applications les plus difficiles pour les composants métalliques. Généralement, les alliages de titane sont résistants à la fissuration sous contrainte par sulfure (SSC), contrairement aux aciers au carbone et faiblement alliés. Cependant, le titane peut être vulnérable dans certaines conditions : pH faible, concentrations élevées de chlorure, températures supérieures à 80 degrés et présence de contraintes de traction. Le type de contrainte résiduelle longitudinale induite lors de l'étirage du tube affecte considérablement la sensibilité au SSC. Un mandrin tiré à travers une billette creuse réduit le diamètre et l'épaisseur de paroi lors de l'étirage du tube. Le procédé produit un motif caractéristique de contraintes résiduelles avec des contraintes de traction sur la surface extérieure et des contraintes de compression sur la surface intérieure ou vice versa, selon que le tube est étiré sans mandrin interne (étirage coulé) ou sur un mandrin fixe. La surface soumise à une contrainte résiduelle de traction présente un risque considérablement accru d'initiation de SSC.

Mécanisme d'initiation du SSC sur les sites de stress résiduel

La fragilisation par l'hydrogène, qui se produit dans les environnements contenant du H₂S, est appelée fissuration sous contrainte des sulfures. Le sulfure d'hydrogène empoisonne le processus de recombinaison de l'hydrogène et entraîne l'hydrogène atomique dans le réseau métallique. L'hydrogène absorbé sous contrainte de traction se diffuse vers les emplacements de concentration de contraintes triaxiales, tels que les joints de grains, les inclusions ou les défauts de surface. L'hydrogène réduit la force de cohésion des joints de grains de titane et provoque la propagation de fissures inter- ou transgranulaires. Toutes les contraintes exercées en service (pression, dilatation thermique, restrictions de montage) sont additionnées aux contraintes de traction résiduelles dues à l'étirage du tube. L'initiation du SSC se produit lorsque la somme des contraintes de traction atteint une valeur seuil (environ 40 à 60 % de la limite d'élasticité du titane en service acide). La direction longitudinale est particulièrement préoccupante car les fissures dans la direction axiale se propageront dans la direction du tube, entraînant une fissuration catastrophique.

Valeurs quantitatives de contrainte résiduelle pour différentes méthodes de tréfilage

Les contraintes résiduelles mesurées par diffraction des rayons X-sur des tubes en titane de grade 2 ont révélé des modèles de contraintes de surface longitudinales typiques :

Emboutissage coulé (sans mandrin interne, tube réduit par matrices externes uniquement) La surface extérieure développe une contrainte résiduelle de traction de 80 à 120 MPa. Des contraintes résiduelles de compression (50 à 80 MPa) apparaissent sur la surface intérieure. L'exposition externe au H2S peut provoquer des SSC dans la surface extérieure en traction.

Étirage au mandrin (tube étiré sur un mandrin interne fixe) : la surface extérieure développe une contrainte résiduelle de compression de 40 à 70 MPa. Il génère une contrainte résiduelle de traction de 100 à 150 MPa au niveau de la surface intérieure. La surface de traction interne est sensible au SSC par exposition interne au H2S.

Emboutissage (mandrin flottant, réduction modérée) Contraintes résiduelles équilibrées des deux côtés de 20 à 50 MPa (traction ou compression selon taux de réduction). Idéal pour un service aigre.

Étirage à froid + recuit de détente (540 degrés, 30 min) : les déformations résiduelles ont diminué à < 15 MPa sur les deux surfaces indépendamment du processus d'étirage. Bon pour un service aigre sévère.

Susceptibilité SSC basée sur le modèle de stress résiduel

Suite à des tests contrôlés dans la solution A NACE TM0177 (NaCl à 5 %, acide acétique à 0,5 %, saturé en H₂S, pH 2,7, 25 degrés), les seuils SSC suivants ont été déterminés :

Contrainte de traction superficielle<30 MPa: No SSC initiation after 1000 hours. Safe for any sour service.

Contrainte de traction superficielle de 30 -60 MPa : temps d'apparition du SSC de 500 à 1 000 h. Convient pour un service non critique avec inspection périodique.

Contrainte de traction superficielle 60-100 MPa : temps de démarrage SSC 100-500 heures. Les taux de propagation des fissures sont de 0,1 à 0,5 mm/h une fois établies.

Initiation du SSC à une contrainte de traction superficielle > 100 MPa en < 24-100 h. La rupture des tubes se produit en quelques semaines en raison de la propagation rapide des fissures.

Guide de sélection de la méthode de dessin du service acide

Le tableau ci-dessous est une matrice de décision pour les procédures d'étirage de tubes en fonction de la gravité du service acide et de la direction de l'exposition aux contraintes.

Conditions de service acides et lieu d'exposition au H₂S Méthode de dessin recommandée Modèle de contrainte résiduelle et atténuation des risques SSC
Exposition externe H₂S uniquement (tube immergé dans une saumure acide, un gaz interne sec ou inerte)Étirage du bouchon avec recuit de détente Surface extérieure avec compression ou basse tension. Stress résiduel<30 MPa. Max SSC resist.
Exposition interne au H2S uniquement (gaz acide à l'intérieur du tube, environnement propre à l'extérieur)Étirement coulé (compression de la surface intérieure)Contrainte de compression sur la surface intérieure (50 à 80 MPa). Surface extérieure tendue, non exposée. C'est d'accord.
Les deux surfaces sont en contact avec le H2S (tube immergé dans un liquide acide, gaz acide interne) Plus tirage du bouchon, soulagement complet de la tension Contrainte résiduelle sur les deux surfaces<15 MPa. Needed for double exposure. More expensive, but necessary.
Faible pression partielle H2S (<0.1 psi), high pH (>4.5) Le mandrin standard ne réduit pas les contraintes. Les contraintes de traction de la surface intérieure sont autorisées en raison du moindre danger de SSC. Surveillance trimestrielle du pH.
High H2S partial pressure (>1 psi), pH faible (<4), Temperature >Emboutissage à 80 °C, libération des contraintes et grenaillage de surfaceLe grenaillage crée une couche de compression (150-200 MPa) quelle que soit la procédure d'étirage. Le plus fiable.
Au-delà de l'ingénierie des contraintes résiduelles -

Le temps de propagation du SSC dépend de l'épaisseur de la paroi et non de l'apparition du SSC. Un mur plus épais (1,5 mm) et présentant une contrainte de traction résiduelle importante (100 MPa) peut également se fissurer, mais la fissure met plus de temps à passer. Le diamètre du tube est également important : pour une même réduction d'étirage, des diamètres plus grands (50 mm contre 20 mm) présentent des contraintes résiduelles plus élevées, en raison d'une déformation différentielle plus élevée. La concentration seuil de H2S pour le SSC dans le titane est d'environ 0,01 psi de pression partielle à 25 degrés et diminue à 0,001 psi à 80 degrés. Les ajouts d'alliages dans les alliages de titane de grade 7 et 12 entraînent une résistance SSC bien plus forte que dans le grade 2, avec une tolérance aux contraintes résiduelles 50 à 100 % plus élevée.

Faire une spécification éclairée

Pour un service acide, lors de la spécification d'un tube chauffant en titane, incluez la nécessité de mesurer la contrainte résiduelle dans un échantillon représentatif par -diffraction des rayons X ou méthode de forage de trous-. Procédure de fabrication : - étirage du bouchon - recuit de détente (540 degrés, 30 minutes, atmosphère d'argon) Demander la confirmation que la contrainte résiduelle de la surface longitudinale est inférieure ou égale à 30 MPa (traction) sur toute surface exposée au H2S. Spécifiez le titane de grade 7 pour un service acide sévère (pH<3.5, H2S >0.1 psi, temperature >60 degrés) indépendamment des contraintes résiduelles, avec un traitement de grenaillage de surface pour fournir une couche de compression. Inspecter le tube chauffant tous les trimestres en utilisant la technique de résistance électrique en service. Une augmentation de 5 à 10 pour cent indique un début probable de fracture du SSC et nécessite une inspection ultrasonique rapide. L'ingénieur utilise la sélection de la méthode de dessin et le post-traitement pour réguler les modèles de contraintes résiduelles et prévenir la fissuration sous contrainte de sulfure, qui est l'un des mécanismes de défaillance les plus difficiles pour les équipements de service au titane acide.