Dans un dessaleur pour le prétraitement du pétrole brut (contient 5 % d'eau de lavage de saumure à 130 degrés), comment l'épaisseur de la paroi du tube en titane interagit-elle avec la présence de sulfure d'hydrogène pour provoquer des fissures sous contrainte de sulfure au niveau des soudures ?

Conception de réchauffeurs en titane pour le service de dessalement de brut - Le compromis de base
Les dessaleurs de pétrole brut injectent de l'eau de lavage (saumure à 5 %) dans le pétrole brut à 130 °C pour éliminer le sel et les particules. La saumure comprend des chlorures et du sulfure d'hydrogène (H 2 S) provenant du pétrole brut acide. La combinaison de saumure brute-est préchauffée dans des tubes en titane. Les critères de fissuration sous contrainte des sulfures (SSC) sont la présence de H 2 S, de chlorures, une température élevée et des contraintes de traction résiduelles au niveau des joints soudés. La SSC est une sorte de fragilisation par l'hydrogène où l'hydrogène atomique provenant de la corrosion par le H2S se diffuse dans le titane pour former des hydrures cassants. L'épaisseur de la paroi a un impact sur le niveau de contrainte résiduelle dans les soudures et sur le gradient de concentration en hydrogène. Plus la paroi est épaisse, plus les contraintes résiduelles du soudage sont importantes (plus de restriction) et plus les voies de diffusion sont longues - une interaction complexe.

Cette enquête décrit l'effet de l'épaisseur de paroi sur la susceptibilité au SSC au niveau des joints soudés en service de dessalage.

Mécanisme SSC au niveau des soudures : impact sur l'intégrité mécanique
Titanium is progressively corroded in the presence of H₂S at 130°C: Ti + 2H_2S ->TiS_2 + 2H_2 L'hydrogène atomique ainsi produit peut pénétrer dans le réseau du titane. Lorsque la concentration d’hydrogène approche 150 à 200 ppm dans une zone de contrainte de traction, l’hydrure de titane (TiH2) précipite aux joints de grains. L'hydrure est fragile et se brisera avec une tension résiduelle. Les joints soudés y sont particulièrement vulnérables, car le soudage produit des contraintes de traction résiduelles de 150 -250 MPa dans la zone affectée thermiquement (ZAT). De plus, la ZAT possède une microstructure distincte, une martensite alpha-prime aciculaire, qui absorbe plus facilement l'hydrogène que le métal de base.

L'épaisseur de la paroi influence la contrainte résiduelle de la soudure. Pour un diamètre de tube particulier, une paroi plus épaisse entraîne une vitesse de refroidissement plus élevée après le soudage (en raison de la masse thermique plus élevée), ce qui augmente les contraintes résiduelles. L'étude par éléments finis montre que la contrainte résiduelle maximale au niveau de la ZAT de soudure d'un tube de 20 mm de diamètre extérieur est :

Paroi 1,0 mm : 180 MPa

220 MPa pour paroi de 1,5 mm

Paroi de 2,0 mm : 260 MPa (proche du rendement)

Une contrainte résiduelle plus élevée diminue la concentration critique d’hydrogène pour la fissuration. Un mur de 1,0 mm peut résister à 200 ppm d'hydrogène avant de se fissurer, tandis qu'un mur de 2,0 mm ne peut se fissurer qu'à 120 ppm en raison de la contrainte accrue.

Effet sur la performance thermique : diffusion et gradient de température
La diffusion de l’hydrogène est affectée par le différentiel de chaleur à travers le mur. À une température globale de 130 degrés, la température de la surface intérieure d'un mur de 1,0 mm est d'environ 133 degrés pour 2,0 W/cm 2 tandis que celle d'un mur de 2,0 mm est de 136 degrés. La différence de 3 degrés augmente le coefficient de diffusion de l’hydrogène d’environ 15 %, accélérant ainsi légèrement l’entrée de l’hydrogène pour la paroi la plus épaisse. Cet effet est secondaire au différentiel de contrainte résiduelle.

Synthèse du compromis : épaisseur de paroi par rapport à la résistance SSC
Épaisseur de paroi (mm) Contrainte résiduelle de soudure (MPa) Concentration critique de H pour la fissuration (ppm) Temps jusqu'à H critique à la ZAT (mois à 10 ppm/mois d'absorption)Risque SSC
1,0 mm 180 MPa 200 ppm 20 mois Modéré
1,2 mm 195 MPa 180 ppm 18 mois Moyen
1,5 mm 220 MPa 150 ppm 15 mois. Élevé 1,8 mm 245 MPa 130 ppm 13 mois Élevé 2,0 mm 260 MPa 120 ppm 12 mois Élevé (ne dure pas 1 an)
Les murs plus larges sont généralement plus vulnérables au SSC car ils sont plus vulnérables aux contraintes résiduelles de soudure qui abaissent la concentration d'hydrogène requise pour la rupture. Un mur de 1,0 mm présente une plus grande résistance au SSC qu'un mur de 2,0 mm.

Soulagement des contraintes de soudure et amélioration des alliages : l'ingénierie au-delà de la clôture
Étant donné que le problème réside dans la contrainte résiduelle plus importante, un recuit de détente (540 degrés pendant 1 heure) est utilisé pour réduire la contrainte résiduelle de la soudure de 70 à 80 %, quelle que soit l'épaisseur de la paroi. Un mur de 2,0 mm soulagé a une contrainte résiduelle de 50-70 MPa et est très résistant au SSC. Cependant, en raison de limitations de taille, de nombreux dessaleurs chauffants ne peuvent pas être recuits. Pour les radiateurs tels que soudés, des parois plus minces (1,0 à 1,2 mm) sont recommandées pour diminuer la contrainte résiduelle. La mise à niveau du titane (Ti-0,3 % Mo-0,8 % Ni) du grade 2 au grade 12 améliore la résistance SSC car le molybdène stabilise le film passif et diminue l'absorption d'hydrogène. Un tube soudé de grade 12 avec une paroi de 1,5 mm et sans recuit a une résistance SCC similaire à un tube de grade 2 avec une paroi de 1,0 mm.

Conclusion : Une paroi plus fine (1,0 à 1,2 mm) est préférable pour la résistance au SSC en service de dessalage.
La relation entre l'épaisseur de paroi des tubes en titane dans un dessaleur de prétraitement de pétrole brut utilisant une eau de lavage à 5 % de saumure contenant du H2S à 130 degrés et la fissuration sous contrainte de sulfure au niveau des soudures est contre-intuitive : des parois plus épaisses augmentent la susceptibilité au SSC, car le soudage produit des contraintes résiduelles plus élevées qui abaissent la concentration critique d'hydrogène pour la fissuration. Le risque de SSC était plus faible pour un mur de 1,0 mm avec une contrainte résiduelle de 180 MPa que pour un mur de 2,0 mm avec une contrainte résiduelle de 260 MPa qui s'est rompu dans les 12 mois. La norme recommandée est un tube en titane de grade 2, d'une épaisseur de paroi de 1,0 à 1,2 mm, tel que-soudé (sans recuit) avec décapage après-soudure pour éliminer les contaminants de surface. Évitez d'utiliser des parois plus épaisses à moins qu'un recuit de détente après soudage ne soit entrepris. Pour les appareils de chauffage de service de dessalage de brut acide, exiger une mesure des contraintes résiduelles de soudure (<200 MPa) or specify Grade 12 titanium for higher inherent SSC resistance. Wall thickness isn't a safety margin SSC-thinner is better.