Comment le taux de réduction de l'étirage du tube (15 % contre . 30 %) d'un élément chauffant en titane sans soudure influence-t-il le seuil de contrainte pour la fissuration induite par l'hydrogène- en service acide à 60 degrés ?
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Les tubes chauffants en titane sans soudure sont produits par étirage à travers des matrices, avec des réductions généralement de l'ordre de 15 à 30 pour cent par passage. Le rapport de réduction détermine la quantité de travail à froid, la densité de dislocation et la texture cristallographique dans le tube final. Le craquage induit par l'hydrogène (HIC) se produit dans des environnements de service acides, notamment le sulfure d'hydrogène (H2S) à 60 degrés, lorsque la concentration locale d'hydrogène dépasse la solubilité solide terminale. La contrainte seuil HIC, c'est-à-dire la contrainte de traction la plus basse à laquelle se produit la fissuration pour une concentration d'hydrogène donnée, dépend directement de la microstructure du tube. Un taux de réduction accru (30 %) conduit à une taille de grain plus fine et à une densité de dislocation plus élevée, ce qui augmente les sites de piégeage de l'hydrogène et augmente la contrainte seuil. Le taux de réduction inférieur de 15 % entraîne des grains plus gros et moins de pièges et donc une réduction de la contrainte seuil de 40 à 70 MPa.
Mécanisme de piégeage de l'hydrogène et d'initiation de fissures dans un tube étiré
Dans le titane, les dislocations, les joints de grains et les lacunes se comportent comme des pièges à hydrogène. Des grains plus fins issus de taux de réduction plus élevés fournissent une plus grande surface limite de grain par unité de volume, ce qui répartit l'hydrogène plus uniformément et retarde la précipitation des hydrures. La contrainte seuil pour HIC est donnée par la relation σ_th=σ_0 + k × ρ_dislocations^{0.5}, où σ_0 est la résistance intrinsèque et ρ_dislocations est la densité de dislocations. Les densités de luxation sont \\sim 10^{14}-10^{15} m^{-2} pour un rapport de réduction de 30 % contre \\sim 10^{13}-10^{14} m^{-2} pour une réduction de 15 %. Cette différence augmente σ_th de 30 à 50 MPa. En outre, la structure cristallographique issue de rapports de réduction plus élevés aligne les grains pour résister à la diffusion de l'hydrogène le long des plans basaux.
Contrainte seuil pour différents rapports de réduction - Quantitatif
Les contraintes seuils HIC pour les tubes en titane de grade 2 ont été déterminées par des tests contrôlés dans une saumure acide (5 % NaCl, 0,5 % acide acétique, saturé de H2S, pH 3,5) à 60 degrés avec charge cathodique. Avec un taux de réduction de 15 % (faible écrouissage), la contrainte seuil est de 120 à 150 MPa, la concentration en hydrogène à la rupture est de 250 à 350 ppm et la granulométrie est ASTM 6-7. Avec une réduction de 20 %, la contrainte seuil augmente jusqu'à 150~180 MPa, la concentration d'hydrogène à la rupture grimpe jusqu'à 300~400 ppm et la taille des grains est ASTM 7~8. Contrainte seuil à une réduction de 25 % : 170–200 MPa ; concentration à la défaillance : 350 à 450 ppm H ; granulométrie : ASTM 8–9. Contrainte seuil à 30 % de réduction (écrouissage élevé)=190-220 MPa Concentration d'hydrogène à la rupture=400-500 ppm Taille des grains=ASTM 9-10 En revanche, les tubes entièrement recuits avec 0 % d'écrouissage ont une contrainte seuil de seulement 80 à 110 MPa et une granulométrie de ASTM 4 à 5.
Effet de la contrainte appliquée et de la concentration d'hydrogène sur la fissuration
Les relations entre le temps appliqué jusqu'à rupture et la concentration d'hydrogène sous contrainte-sont prédites en fonction du rapport de réduction. À une contrainte appliquée de 100 MPa, un tube avec une réduction de 15 % atteint une concentration critique d'hydrogène de 300 ppm, ce qui prend environ 1 an à un taux d'absorption d'hydrogène de 1 ppm/jour. Ce même tube avec une réduction de 30 % a une concentration critique de 450 ppm et une durée de vie de 1,8 ans. Le tube de réduction à 15 % tombe en panne à un niveau d'hydrogène de 200 ppm sous une contrainte appliquée de 150 MPa en 7 mois, tandis que le tube de réduction à 30 % tombe en panne à un niveau d'hydrogène de 350 ppm en 14 mois. Le tube avec une réduction de 15 % tombe en panne rapidement avec une contrainte appliquée de 200 MPa et une concentration d'hydrogène inférieure à 100 ppm, alors que le tube avec une réduction de 30 % nécessite 280 ppm d'hydrogène et dure 11 mois.
Guide de sélection du rapport de réduction Service acide à 140 degrés F
Le tableau ci-dessous fournit des conseils sur le choix du taux de réduction d'étirage des tubes pour les réchauffeurs sans soudure en titane de grade 2 en service acide, en tenant compte de la pression partielle de H 2 S, de la contrainte appliquée et de la durée de vie attendue.
H2S Pression partielle (bar) pH de la solution Contrainte maximale appliquée (MPa) Taux de réduction recommandé Taille minimale des grains (ASTM) Contrainte seuil HIC attendue (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 Non recommandé pour le grade 2 N/AN/A
Ingénierie au-delà du choix du rapport de réduction
La qualité du titane a un effet substantiel sur la résistance HIC, quel que soit le taux de réduction. Le palladium-grade 7 stabilisé a des contraintes de seuil de 50 à 100 MPa supérieures à celles du grade 2 au même rapport de réduction, attribuées à la recombinaison de l'hydrogène catalysée par le palladium-. Le grade 12 présente une amélioration modérée de 30 à 50 MPa. Le recuit après étirage (atténuation des contraintes à 540 degrés pendant 30 min.) réduit la densité de luxation et diminue également le seuil HIC. L'étirage à froid, sans recuit ultérieur, est donc l'état recommandé du tube pour un service acide. La contrainte seuil est indépendante de l'épaisseur de la paroi, même si elle modifie la durée de propagation de la fracture : un mur de 2,0 mm contenant une fissure peut vivre plus longtemps jusqu'à la perforation qu'un mur de 1,2 mm.
Spécifiez en toute confiance
• Pour les tubes chauffants en titane sans soudure en service acide à 60 degrés, spécifier un taux de réduction d'étirage à froid de 25-30 % sans recuit supplémentaire. Une granulométrie minimale de ASTM 8 est requise et une certification de la densité de dislocation par analyse d'élargissement des pics de diffraction des rayons X est requise. Pour un service extrêmement acide avec une pression partielle H₂S > 0,2 bar, spécifier du titane grade 7 avec un taux de réduction de 30 %. Test de charge d'hydrogène sur une section d'échantillon lors de l'inspection à la réception : chargez jusqu'à 400 ppm d'hydrogène, puis appliquez 80 % de la limite d'élasticité spécifiée, rejetez le lot si une fissuration se produit dans les 100 heures. En choisissant un taux de réduction plus élevé de 30 % au lieu de 15 %, l'ingénieur améliore de 40 à 70 MPa la contrainte seuil de fissuration induite par l'hydrogène, ajoutant ainsi une marge de sécurité significative dans les situations de service acide.
