MECANISME SPECIFICE DE CEDARE A CONDUCTELOR DE INCALZIRE SI TERMOFICARE SI CRITERII DE GARANTARE A SIGURANTEI ACESTORA

Cunoasterea mecanismelor de cedare a conductelor de incalzire si termoficare conduce la fundamentarea formelor constructive, a materialelor si a tehnologiilor de fabricatie.

Conducta de de incalzire si termoficare poate atinge starea limita, definita ca situatia in care nu mai poate indeplini functiunile pentru care a fost proiectata, in trei moduri:

1. datorita deformatiilor elastice mari;
2. datorita deformatiilor plastice, survenite ca urmare a depasirii limitei de curgere a materialului;
3. datorita ruperii.

        La atingerea starii limita, pe langa starea de tensiuni, un rol important il exercita si fenomenele de uzura, eroziune si coroziune, care prin modificarile dimensionale generale sau locale pe care le determina, reduc rezistenta conductelor incalzire si termoficare. Fenomenele de coroziune cu degajare de hidrogen pot conduce la fisurare si rupere, chiar in absenta unor solicitari exterioare.

 1. Cedarea datorita deformatiilor elastice mari

Deformatiile elastice excesive pot aparea in doua cazuri:

• pierderea stabilitatii in conditii de echilibru nestabil la depasirea sarcinii critice (de exemplu turtirea conductelor sub actiunea presiunii exterioare s.a.);
• defomatii mari in conditii de echilibru stabil.

      In toate cazurile, tensiunile dezvoltate in piese sunt de importanta secundara, parametrul principal ce controleaza fenomenul fiind rigiditatea piesei, determinata de geometria acesteia si de modulul de elasticitate si nu caracteristicile de rezistenta.

2. Cedarea datorita deformatiilor plastice

      Aparitia fenomenelor de curgere conduce la deformarea permanenta a conductelor, facand utilajul inutilizabil. De regula, aparitia curgerii nu are implicatii dezastruoase, conducand rareori la rupere, deoarece materialele ductile se ecruiseaza pe masura ce creste deformatia, astfel ca, pentru a se produce o deformatie suplimentara este necesara cresterea tensiunii.Starea limita reprezentata de deformatiile plastice excesive este dependenta de valoarea limitei de curgere a materialului - deci de material si de tratamentul termic aplicat - dar si de o serie de factori constructivi si de exploatare cum sunt forma piesei, temperatura de exploatare, starea de tensiuni s.a.

 Cedarea datorita ruperii

      Conducta de incalzire si termoficare atinge, ca stare limita, ruperea prin trei mecanisme, cunoscute de la disciplinele studiate anterior:

• ruperea fragila (brusca);
• ruperea prin oboseala;
• ruperea intarziata.

      Pentru fundamentarea solutiilor constructive si a tehnologiilor de fabricatie a conductelor de incalzire si termoficare este esentiala si cunoasterea influentei factorilor de mediu asupra fenomenelor de rupere. Acestea sunt influentate de temperatura, de viteza de solicitare si de mediile de lucru prin urmatoarele mecanisme:

• reducerea sectiunii transversale a pieselor prin coroziune;
• formarea ciupiturilor ('pitting') pe suprafata conductelor, acestea actionand ca niste concentratori de tensiuni la amorsarea fisurilor, exercitand un efect fragilizant;
• reducerea foarte pronuntata a rezistentei la oboseala, fenomenul numindu-se 'oboseala corosiva';
• eliberarea hidrogenului atomic in urma proceselor de coroziune, avand atat efect fragilizant cat si efect determinant pentru ruperile intarziate;
• fisurarea pe calea activa de coroziune in urma unor procese de coroziune selectiva sub tensiune s. a.

      Principalele mecanisme de degradare sub actiunea mediilor de lucru pot fi impartite in doua grupe, dupa cum fisurarea se produce in absenta sau in prezenta hidrogenului:

• fisurarea corosiva sub tensiune (FCT), simbolizata si SCC (Stress Corrosion Cracking) definind fenomenul de rupere fragila prin fisurarea unui metal sub actiunea combinata a tensiunilor de tractiune si a coroziunii. Mecanismul consta in dizolvarea anodica a unei faze si fisurarea pe calea activa de coroziune, fisurile putandu-se propaga intercristalin sau transcristalin. Aceasta forma de degradare se manifesta sub actiunea apei de zacamant, in urma acidizarilor si, mai rar, sub actiunea fluidelor de foraj.
• actiunea hidrogenului asupra otelurilor expuse mediilor acide cu hidrogen sulfurat (H₂S) se manifesta sub doua aspecte:
• fisurarea sub tensiune in mediu acid cu H₂S, simbolizata SSC (Sulfide Stress Cracking) definind fenomenul de rupere fragila a otelurilor cu limita de curgere ridicata, chiar daca acestea sunt rezistente la fenomenele obisnuite de coroziune;
• ruperea in trepte pe grosimea materialului, simbolizata HIC (Hydrogen Induced Cracking) sau formarea unor umflaturi ('blisters') la suprafata pieselor din otel cu limita de curgere coborata, provocate de acumularea hidrogenului la presiuni ridicate in defectele interne.

In ambele situatii are loc absorbtia hidrogenului degajat in urma unor reactii de coroziune. Indiferent de aspectul sub care se manifesta actiunea hidrogenului, are loc concomitent si un proces de fragilizare a metalului.

      Asigurarea rezistentei conductelor de incalzire si termoficare la actiunile corosive si fragilizante mentionate, in special in prezenta hidrogenului sulfurat, implica un complex de masuri, in principal de ordin metalurgic si constructiv, metodele chimice de folosire a inhibitorilor de coroziune fiind neeficiente datorita temperaturilor mari atinse in sondele adanci, care degradeaza inhibitorii de coroziune.

1. Fisurarea corosiva sub tensiune

      Sub actiunea simultana a tensiunilor de tractiune si a mediilor active,    la conductele de colectare si transport (sub presiune), se produc ruperi bruste a caror cauza o reprezinta fisurarea corosiva sub tensiune. La oteluri, acest tip de ruperi se manifesta in principal in prezenta solutiilor de saruri si acizi, de exemplu in apa de mare, in cloruri, in solutii obtinute prin dizolvarea CO₂ si H₂S s.a., intensitatea fenomenului depinzand de natura aliajului, de agresivitatea mediului si de nivelul tensiunilor.

Fisurarea corosiva sub tensiunne (SCC) reprezinta fenomenul de rupere intarziata cu caracter fragil a materialelor ductile, prin fisurare sub actiunea combinata a unei solicitari statice de tractiune inferioare limitei de curgere si a coroziunii. In procesul de fisurare corosiva sub tensiune are loc o reducere a caracteristicilor de rezistenta si tenacitate prin interactiunea dintre procesele chimice si solicitarile mecanice, ruperea survenind la o tensiune inferioara tensiunii de rupere in aer, corespunzator punctului A, asa cum se prezinta in figura 1.

Fig.1- Tensiunea de rupere

      Coroziunea sub tensiune reprezinta fenomenul, iar fisurarea corosiva sub tensiune reprezinta mecanismul de rupere.

Mecanismul fisurarii corosive sub tensiune consta din urmatoarele etape:

1. In urma coroziunii electrochimice localizate are loc un fenomen de dizolvare anodica pe calea activa de coroziune, formandu-se fisuri a caror raza la varf este de ordinul distantei interatomice. Fisurile se pot propaga intercristalin sau transcristalin, in functie de natura metalului.
2. Varful fisurii exercita un puternic efect de concentrare a tensiunilor sub actiunea carora are loc o deformare plastica a zonei de la frontul structurii. Acesta zona deformata plastic si ecruisata poate initia o rupere fragila.
3. In functie de geometria piesei, de nivelul solicitarilor, de caracteristicile materialului s.a., o fisura se poate propaga in regim dinamic in intreaga sectiune transversala a piesei sau poate fi oprita, ca rezultat al redistribuirii varfurilor de tensiune.
4. Extinderea fisurii sub actiunea solicitarii mecanice conduce la expunerea a noi suprafete metalice (marginile fisurii) atacului agentului corosiv, care patrunde prin capilaritate. Atacul corosiv dureaza pana cand se realizeaza la varful fisurii o stare de tensiuni care poate produce deformarea plastica si avansul frontului fisurii.

      Acest ciclu este repetat pana cand survine ruperea fie datorita propagarii in regim dinamic a unei fisuri pe toata sectiunea transversala, fie ca urmare a slabirii treptate a sectiunii transversale a piesei, fisurile dezvoltandu-se intr-un plan perpendicular pe directia de solicitare, fig.2.

Fig.2 - Propagarea fisurii

      Mecanismul de rupere este determinat de forma si dimensiunile piesei, de nivelul tensiunilor si de natura mediului. Fenomenul de fisurare corosiva sub tensiune prezinta urmatoarele particularitati:

• aliajele sensibile la SCC sunt in general rezistente la coroziune sau se corodeaza uniform cu viteze foarte mici, corosivitatea mediului fiind nesemnificativa pentru a aprecia posibila degradare prin SCC;
• procesul este initiat la suprafata piesei;
• fenomenul de rupere se poate produce si in absenta unor tensiuni exterioare, sub actiunea tensiunilor proprii datorate prelucrarilor mecanice si termice (sudare, deformare plastica la rece etc.);
• aliajele de inalta    rezistenta sunt mai susceptibile la SCC decat cele de joasa rezistenta.

Principalii parametri ai fenomenului sunt natura mediului, structura materialului si nivelul solicitarilor.

Mediile care determina SCC sunt acelea in care fenomenele de coroziune sunt foarte localizate, avand caracter selectiv, fara o coroziune semnificativa a suprafetei metalului. Mediul corosiv ataca electrochimic faza mai susceptibila a aliajului, care se dizolva anodic. Structura metalografica influenteaza susceptibilitatea la SCC si directia coroziunii prin neomogenitatile chimice si structurale care pot favoriza coroziunea localizata. Structurile bifazice, incluziunile nemetalice, precipitatele intercristaline, zonele cu tensiuni proprii sunt factori favorizanti, iar finisarea granulatiei reduce susceptibilitatea la SCC. Nivelul tensiunilor influenteaza prin aceea ca odata cu cresterea tensiunii de tractiune, scade durata pana la rupere, fig.1 a. Pentru majoritatea aliajelor exista o tensiune limita, _SCC, sub care ruperea nu se mai produce, evidentiind astfel rolul hotarator al tensiunilor in fenomenul SCC. Astfel de curbe, specifice fiecarui material, se determina experimental prin incarcarea unor epruvete (uzual cilindrice) cu sarcina constanta de tractiune si inregistrarea momentului de producere a ruperii.

In figura 1 b se prezinta un dispozitiv cu element elastic, pentru tensionarea la tractiune a epruvetelor supuse incercarii. Se poate utiliza solicitarea la incovoiere dar, datorita dificultatilor in stabilirea tensiunii la care se produce ruperea, incercarea se foloseste in principal la cercetari comparative.

Fig 1

      Epruvetele pot fi lise sau cu crestaturi. Acestea din urma servesc la o evaluare mai exacta a susceptibilitatii la fisurarea corosiva sub tensiune, luand in consideratie si efectul concentrarii tensiunilor.Folosind epruvete prefisurate incercate la diferite intensitati ale tensiunii, exprimate prin factorul de intensitate a tensiunilor K_I, se determina factorul critic de intensitate a tensiunilor in conditiile de mediu cercetate, K_{I SCC}, sub care fenomenul de fisurare corosiva sub tensiune nu se mai produce.

In afara parametrilor _SCC si K_{I SCC}, la aprecierea efectului fragilizant al mediului asupra otelului se foloseste si 'indicele de fragilizare', simbolizat I_f exprimat prin gradul in care este afectata gatuirea la rupere:

unde Z _nc este gatuirea la rupere a otelului nesupus mediului corosiv, iar Z_c este gatuirea la rupere a otelului supus actiunii mediului corosiv. Se observa ca acest indicator nu tine seama de efectul starii de tensiuni.

      Mediul de incercare in conditii de laborator reproduce, de regula, mediul din exploatare, o atentie deosebita acordandu-se reproducerii pH-ului, concentratiei si continutului de oxigen. Totusi, pentru a obtine ruperea intr-un timp acceptabil, in mod frecvent conditiile de mediu sunt mai severe decat cele din exploatare.

Uneori mediul este astfel ales incat sa evidentieze efectul unui anumuit agent agresiv.
      Pentru a studia coroziunea sub tensiune in sondele acide cu hidrogen sulfurat, desi fisurarea este influentata si de alti factori ai mediului, se folosesc solutii de hidrogen sulfurat cu sau fara acid acetic:

• apa distilata + 0,5% acid acetic (CH₃COOH), saturata cu hidrogen sulfurat;
• apa distilata + 50% dioxid de carbon + hidrogen sulfurat;
• apa distilata + acid sulfuric sau acid clorhidric saturata cu hidrogen sulfurat (pH = 3).

Datorita diversitatii mediilor din exploatare, in standardul NACE TM-01-77 s-a propus un mediu cu agresivitate maxima, astfel incat un material care se comporta bine la SCC in acest mediu, se va comporta bine in orice alt mediu care contine hidrogen sulfurat. Acest mediu are compozitia 5% clorura de sodiu, 0,5% acid acetic in apa distilata si saturat continuu cu hidrogen sulfurat pe parcursul incercarilor avand pH-ul initial 3, putand creste pe parcursul incercarii fara sa depaseasca valoarea 4,5.

Metodele de evitare a SCC sunt constructive, tehnologice si de exploatare.

Metodele constructive cuprind alegerea corespunzatoare a materialelor si proiectarea unor forme constructive si dimensiuni care sa conduca la reducerea tensiunilor (evitarea concentrarilor de tensiuni)

Metodele tehnologice urmaresc reducerea tensiunilor reziduale prin aplicarea unor tehnologii de fabricatie adecvate sau prin aplicarea unor tratamente termice de detensionare. De asemenea introducerea unor tensiuni de compresiune in strat - prin rulare la rece sau prin ecruisare cu jet de alice - are efecte deosebit de favorabile asupra rezistentei la SCC, cu conditia asigurarii continuitatii stratului.

Ca metode de exploatare se recomanda protectia catodica, intensitatea curentului catodic necesar pentru protectie fiind in functie de nivelul tensiunilor.

2. Actiunea hidrogenului asupra otelurilor expuse mediilor acide cu hidrogen sulfurat

Expunerea pieselor din otel mediilor acide cu hidrogen sulfurat conduce atat la promovarea fenomenelor de coroziune electrochimica, cat si la aparitia hidrogenului in stare atomica la suprafata piesei. Mediile de lucru ale utilajului petrolier de foraj-extractie favorizeaza fenomenele de adsortie fizica a hidrogenului la suprafata piesei, difuzia in masa metalului si acumularea sub forma moleculara in defectele interioare.

Agresivitatea hidrogenului sulfurat se manifesta in prezenta apei, in care se dizolva cu usurinta si disociaza conform echilibrelor:

        unde este sulfura acida;

      La introducerea unei piese din otel in acest mediu au loc reactiile:

• la anod:

• la catod:

Daca mediul corosiv este neutru sau alcalin, sulfura de fier formata, fiind insolubila, se depune formand o pelicula de pasivare. Daca mediul corosiv este slab acid, ionii de hidrogen din solutie reactioneaza cu sulfura de fier conform reactiei:

Astfel pelicula de pasivare este distrusa si hidrogenul atomic poate fi adsorbit de otel. Are loc un proces de dizolvare anodica a fierului cat si eliberarea de hidrogen atomic. Hidrogenul sulfurat exercita si o actiune specifica de accelerare a adsorbtiei hidrogenului la suprafata metalului.

 La mediile de lucru, caracterul acid este asigurat atat de acizii clorhidric si fluorhidric s.a., cat si de prezenta dioxidului de carbon.
       Generalizand o bogata baza de date experimentale si din exploatare, norma tehnica NACE MR 01-75 (rev. 1980), recomanda conditiile de mediu care, prin severitatea lor, impun alegerea unor materiale speciale si constituie totodata un ghid in alegerea materialelor pentru exploatare in medii acide cu hidrogen sulfurat.

 Prin 'mediu acid cu hidrogen sulfurat' se intelege un mediu care contine apa si hidrogen sulfurat si are pH-ul mai mic de 7. Din punct de vedere al fazelor, mediul acid cu hidrogen sulfurat poate fi:

• gaz acid - amestec de gaze naturale, vapori de apa, H₂S si CO₂ ;
• titei acid - amestec de titei si apa in care s-a dizolvat H₂S si CO₂;
• sistem complex - format din gaze acide si titei acid.

In cazul in care mediul de lucru este gaz acid sau un sistem complex, verificarile privind necesitatea incadrarii unui echipament in prescriptiile normei NACE Standard MR 01-77 (rev. 1980) se pot efectua operativ folosind diagrama din figura 2.1.

Fig. 2.1 - Diagrama presiune - H₂S in faza gazoasa

      Mediile care din punct de vedere al concentratiei de H₂S si al presiunii totale se gasesc in domeniul 1 in cazul sistemelor multifazice si in domeniile 1 si 2 in cazul sistemelor monofazice gazoase sunt agresive, conducand la degradari datorita hidrogenului.

      Principalele aspecte sub care se manifesta actiunea hidrogenului asupra otelurilor expuse mediilor acide cu H₂S sunt:

• fragilizarea metalului;
• fisurarea si ruperea sub tensiune;
• ruperea in trepte pe grosimea materialului sau formarea unor umflaturi la suprafata materialului (blistering). Efectele hidrogenului in otel si factorii de influenta sunt sintetizati in tab. 1.

Tabel 2.1 Efectele hidrogenului in otel si factorii de influenta

Fragilizarea datorita hidrogenului

       Hidrogenul exercita o puternica actiune fragilizanta asupra otelurilor cu limita de curgere ridicata si a aliajelor de titan cu structura si . Hidrogenul poate difuza in metale in conditiile de exploatare expuse anterior, dar poate fi introdus si in cursul elaborarii, provenind de la atmosfera cuptorului in cursul tratamentelor termice si in cursul proceselor tehnologice cum sunt decaparea electrolitica sau chimica, cromarea si cadmierea. Situatia cea mai periculoasa o reprezinta insa exploatarea in medii cu H₂ S, in celelalte cazuri fragilizarea avand, de regula, caracter reversibil (dispare complet dupa eliminarea hidrogenului din otel).
        Efectul fragilizant al hidrogenului se poate manifesta in trei moduri: prin combinare cu impuritatile din metal, prin combinarea atomilor formand molecula de hidrogen si prin difuzie in stare atomica in retea. Prima forma de fragilizare nu este specifica otelurilor, aparand atat ca urmare a reducerii termice a oxizilor metalici cu formarea de vapori de apa, a caror presiune favorizeaza fisurarea metalului, cat si ca urmare a formarii hidrurilor metalice, care reduc ductilitatea metalului.

Fragilizarea datorita hidrogenului difuzat in metal, specifica otelurilor si aliajelor si ale titanului are trei caracteristici principale: este influentata de temperatura, de viteza de solicitare si de timp, conducand la fenomenul de rupere intarziata.

Influenta temperaturii se manifesta prin disparitia fragilitatii la temperaturi joase si inalte, efectul fragilizant fiind maxim la temperatura ambianta pentru otelurile de rezistenta ridicata.

Influenta vitezei de solicitare se manifesta prin faptul ca efectul fragilizant creste odata cu scadera vitezei de solicitare, iar la viteze mari de solicitare fragilitatea nu se manifesta. Ca urmare, hidrogenul nu influenteaza asupra energiei de rupere a materialului, iar temperatura de tranzitie nu este deplasata spre valori mai ridicate.

Prin aceste particularitati, fragilizarea datorita hidrogenului difera esential de comportarea fragila a otelurilor determinata de scaderea temperaturii si de cresterea vitezei de solicitare.

Influenta duratei se manifesta prin aceea ca piesele solicitate in prezenta mediilor agresive se rup dupa un interval de timp la o valoare a solicitarii inferioara rezistentei la rupere a materialului, fiind un proces de rupere intarziata. Ruperea are caracter de rupere fragila brusca. Din cele de mai sus rezulta ca studiul fragilizarii otelurilor datorita hidrogenului se poate efectua prin incercarea la tractiune a epruvetelor expuse mediilor acide cu H₂S. Aspectul curbei caracteristice, valoarea rezistentei la rupere si indicele de fragilizare reprezinta principalele criterii de apreciere a efectului fragilizant al mediului.

Explicarea fenomenului de fragilizare datorita hidrogenului constituie inca un obiect de studiu, neexistand un puct de vedere unitar, propunandu-se diferite mecanisme, care pot fi impartite in trei grupe:

a) Teoria propusa de Zappfe considera ca rolul principal in fragilizarea metalului il au presiunile exercitate de hidrogenul gazos acumulat in golurile retelei cristaline si recombinat in stare moleculara. Aceasta, dezvolta in metal tensiuni peste care se suprapun tensiunile din exploatare, tensiunea de rupere fiind astfel diminuata.

b) Teoria lui Petch si Stables considera ca propagarea fisurilor preexistente din material are loc sub efectul moleculelor de hidrogen absorbite pe flancurile fisurii, care micsoreaza energia de suprafata.

c) Teoria scolii lui Troiano presupune ca hidrogenul difuzeaza in cursul unei deformari plastice sau ca urmare a imbatranirii spre defectele retelei cristaline, favorizat de starea triaxiala de tensiuni din jurul defectelor. Prin acumulare, hidrogenul va initia o fisura sau o va propaga pe cea existenta. Prin propagarea fisurii, zona de triaxialitate maxima a tensiunilor se muta intr-o regiune in care concentratia de hidrogen este mai mica, astfel ca fenomenul de propagare in continuare a fisurii va decurge numai dupa un interval de timp, necesar pentru acumularea unei concentratii critice de hidrogen la varful fisurii. Apare astfel un fenomen de rupere secventiala, intarziata. Propagarea fisurii devine un proces controlat de difuzie, fiind dependent de timp si de temperatura. Totodata, hidrogenul dizolvat in retea are un efect fragilizant prin influentarea miscarii dislocatiilor.

        Toate teoriile au ca punct comun faptul ca amorsarea ruperii are loc la o microfisura, generata de o deformare plastica. Aceasta se poate produce sub actiunea unei solicitari exterioare sau sub actiunea tensiunilor proprii. Diferenta dintre teorii consta in modul in care hidrogenul faciliteaza propagarea fisurii. Este probabil ca fragilizarea este rezultatul tuturor mecanismelor propuse.

4. Fisurarea si ruperea sub tensiune in mediu acid cu H₂S

      Fisurarea sub tensiune in mediu acid cu H₂S, simbolizata SSC (Sulfide Stress Cracking) reprezinta fenomenul de rupere fragila a pieselor din materiale metalice expuse in stare tensionata cu eforturi unitare ce depasesc o anumita valoare, la actiunea unui mediu acid cu H₂S. Ruperea se produce in mod imprevizibil, putand sa apara la scurt timp de la punerea in functiune a utilajului, fara sa se manifeste si alte fenomene de coroziune. Pentru a se produce fenomenul SSC este necesara indeplinirea a 4 conditii:

• existenta hidrogenului difuzibil;
• o stare de tensiuni de tractiune in piesa, datorata fie solicitarilor exterioare, fie tensiunilor proprii (remanente);
• o structura susceptibila la fisurare, uzual la otelurile carbon cu o duritate peste 22 HRC;
• timp de desfasurare a proceselor de fisurare si rupere.

      Rezulta ca fenomenul este specific otelurilor cu rezistenta ridicata.
      Ruperea prin fisurare sub tensiune in mediu acid cu H₂S este consecinta efectului fragilizant al hidrogenului, avand caracter de rupere secventiala intarziata, conform mecanismului descris la paragraful anterior. Variatia duratei pana la rupere pentru un anumit material si o anumita concentratie de hidrogen in functie de nivelul tensiunilor, are alura specifica otelurilor, evidentiind doua caracteristici importante ale procesului:

• ruperea are loc la o valoare a tensiunii inferioara rezistentei la rupere a materialului;
• se evidentiaza o tensiune minima sub care ruperea nu se mai produce, definind limita de rezistenta.

      Fisurarea sub tensiune in medii acide cu H₂S este influentata de urmatorii factori: concentratia in hidrogen, pH-ul, temperatura, limita de curgere a materialului, gradul de triaxialitate al tensiunilor, concentratorii de tensiuni, structura materialului, tratamentele termice aplicate si compozitia chimica a materialului.
       Fragilitatea creste odata cu cresterea limitei de curgere a materialului si a gradului de triaxialitate a tensiunilor.

Gradul de triaxialitate a tensiunilor se exprima ca raport intre tensiunile principale maxima si minima. Notand tensiunile principale cu si , cu relatia < < , gradul de triaxialitate este dat de raportul O alta exprimare a gradului de triaxialitate este x = 1 - _e , in care _e este tensiunea echivalenta conform teoriei energiei de variatie a formei.
       La tractiune pura gradul de triaxialitate este nul, iar la o stare de tensiuni de tractiune egale dupa cele trei directii gradul de triaxialitate este egal cu unitatea. Criteriul Huber-Henckey-Mises evidentiaza influenta gradului de triaxialitate a tensiunilor asupra conditiilor de deformare plastica a unui material. Conform criteriului, pentru a se produce deformarea plastica, tensiunile principale trebuie sa indeplineasca relatia:

unde R_c este limita de curgere. Se observa ca cu cat gradul de triaxialitate este mai mare (valorile tensiunilor apropiate intre ele), cu atat tensiunile principale trebuie sa fie mai mari pentru a se produce deformarea plastica. La limita, pentru un grad de triaxialitate egal cu unitatea, criteriul exprima faptul ca pentru producerea deformatiei plastice tensiunile tind la infinit. Ca urmare, cresterea gradului de triaxialitate a tensiunilor atrage dupa sine cresterea rezintentei materialelor (a limitei de curgere si a rezistentei la rupere) si scaderea ductilitatii. Gradul de triaxialitate al tensiunilor este maxim la baza concentratorilor de tensiune.

Structurile cel mai putin sensibile la SSC sunt cele de echilibru si anume perlita globulara, sorbita fina si structurile perlit-feritice cu un grad mare de dispersie. Din contra, structurile cu rezistenta ridicata cum sunt cele obtinute prin revenirea la temperaturi joase a martensitei si bainitei au tendinta mare spre fragilizare si SSC. Uzual se considera acceptabile structurile a caror duritate este sub 22 HRC.

Temperatura de revenire dupa calire, influenteaza mult susceptibilitatea la SSC. Cu cresterea temperaturii de revenire se reduce rezistenta la rupere si limita de curgere, crescand rezistenta la SSC.

Influenta deformarii la rece (ecruisarii) este controversata, avand doua efecte contrare. Pe de o parte provoaca o durificare a materialului si o crestere a tensiunilor interne, putand creste susceptibilitatea la SSC, iar pe de alta parte, ecruisarea creste solubilitatea hidrogenului in metal, reducad tendinta de fragilizare. Ca o regula generala, se accepta o deformare plastica la rece cu un grad de deformare mai mic de 5% fara tratament termic de detensionare, dupa care duritatea piesei nu va depasi 22 HRC. Se accepta indreptarea la rece a tevilor.

Prezenta fazelor instabile cum este austenita reziduala la calire este foarte periculoasa. Hidrogenul este mult mai solubil in austenita decat in matensita. In cursul unei deformari plastice se promoveaza trasformarea austenitei in martensita. Aceste cristale nefiind revenite similar restului structurii sunt foarte susceptibile la SSC, cu atat mai mult cu cat ele au si un continut foarte ridicat de hidrogen. Fisurile aparute in aceste zone sunt amorse de rupere pentru restul materialului.

Din punct de vedere structural, structurile cub cu volum centrat sunt cele mai susceptibile la SSC (otelurile si titanul  ). Din punct de vedere al compozitiei chimice a otelului, cresterea procentului de carbon, sulf, fosfor, mangan si nichel (peste 1%) inrautateste rezistenta la SSC, iar cromul, molibdenul si vanadiul maresc rezistenta la SSC prin micsorarea difuziei hidrogenului in fier si prin faptul ca, formand carburi, permit utilizarea unor temperaturi de revenire ridicate, favorabile obtinerii unei sorbite globulizate.

5. Cai de reducere a fisurarii sub tensiune in medii acide cu H₂S

      Se disting doua situatii in exploatarea echipamentelor expuse difuziei hidrogenului.
      Primul caz il reprezinta difuzia hidrogenului in cursul elaborarii aliajului sau unor procese tehnologice. In acest scop se aplica tratarea in vid a otelurilor precum si dehidrogenarea pieselor prin incalzire.

      Al doilea caz il reprezinta echipamentele la care este imposibil de evitat contactul permanent cu mediul activ, fiind specific conductelor de gaz. Solutia principala de evitare a ruperilor consta in utilizarea unui otel insensibil la SSC, utilizandu-se in paralel si solutii constructive si de tratare a mediului.  Pentru asigurarea rezistentei la SSC se recomanda ca otelurile sa fie deformate la cald sau tratate termic, stabilindu-se o limita superioara pentru rezitenta la rupere. Principalele oteluri carbon si slab aliate recomandate pentru exploatare in medii acide cu H₂S sunt prezentate in tabelul 5.1.

Tabelul 5.1 Oteluri utilizate la fabricarea materialului tubular de foraj-extractie indicate pentru exploatarea in medii acide cu H₂S

      Controlul H₂S in mediul de lucru se realizeaza prin: mentinerea pH > 10 pentru neutralizarea H₂S in conducta de gaz; eliminarea H₂S prin tratare chimica a gazului metan.

      Duritatea otelurilor nealiate si slab aliate este in mod curent limitata la valoarea 22 HRC, cu exceptia otelurilor calite si revenite din clasa Cr-Mo (tip 34MoCr11, 42MoCr 11), la care duritatea maxima admisa este de 23 HRC.In conditii optime de elaborare - prelucrare, otelurile Cr-Mo s-au comportat corespunzator pana la duritati de 27 HRC.

      Solutiile constructive cuprind dimensionarea pieselor astfel incat tensiunea de exploatare sa fie inferioara rezistentei la SSC si evitarea concentratorilor de tensiuni. Pentru garantarea sigurantei in exploatare in medii acide cu H₂S se recomanda si unele masuri suplimentare, prezentate in tabelul 5.2.

Tabelul 5.2

   Ca exemplificare, in figura 5.1 se prezinta corelarea conditiilor de exploatare cu clasele de oteluri recomandate. Conditiile de exploatare sunt exprimate prin nivelul tensiunii de tractiune, ca fractiune din valoarea limitei de curgere R_p0,2 si concentratia in H₂S.

      Se observa ca otelurile carbon uzuale solicitate cu tensiuni de tractiune de pana la 0,5R_p0,2 se pot utiliza pana la concentratii de H₂S mai mici de 0,5%, dar solicitarea admisibila se reduce la 0,3R_p0,2 atunci cand concentratia in H₂S atinge 10%, domeniul A. La solicitari mai mari si concentratii mai mari in H₂S se impune utilizarea otelurilor care sunt garantate pentru exploatare in medii acide cu H₂S, domeniile B si C.

Otelurile corespunzatoare domeniului B sunt cele uzual comandate de normele A.P.I., pentru care s-a confirmat experimental rezistenta in medii cu H₂S. Otelurile corespunzatoare domeniului C sunt elaborate in conditii speciale, avand continutul de sulf redus, sunt aliate cu molibden, iar caracteristicile fizico-mecanice sunt riguros specificate si controlate.

Pentru combinatiile de solicitari corespunzatoare domeniului D nu se recomanda utilizarea otelurilor.

In completare, in figura5.2 se prezinta corelarea principalelor tipuri de imbinari

filetate ale materialului tubular cu con.

6. Ruperea in trepte sub actiunea hidrogenului

Ruperea in trepte sub actiunea hidrogenului, simbolizata HIC (Hydrogen Induced Cracking), reprezinta fenomenul de rupere sub actiunea presiunilor exercitate de hidrogenul acumulat sub forma moleculara in zonele cu segregatie de incluziuni nemetalice la otelurile deformate plastic la cald. Fisurarea initiaza la incluziunile nemetalice, in primul rand sulfuri, care sunt alungite in lungul directiei de deformare la cald. Prin unirea acestor fisuri are loc ruperea cu aspect caracteristic de rupere in trepte. In cazul in care procesul initiaza langa suprafata metalului si materialul este ductil, pe suprafata metalului se formeaza 'umflaturi' caracteristice, fenomen cunoscut sub denumirea de 'blistering'. Spre deosebire de fisurarea sub tensiune prin SSC, specifica otelurilor cu inalta rezistenta, ruperea prin HIC poate avea loc atat in otelurile cu rezistenta inalta cat si joasa si nu necesita existenta unei stari de tensiuni. Ruperea in trepte sub actiunea hidrogenului (HIC) s-a semnalat in conducte si vase separatoare (sub presiune) fabricate din table laminate la cald, fiind intalnita cu precadere la otelurile calmate cu aluminiu, supuse unor grade mari de deformare in procesul de prelucrare (de exemplu tevile sudate fabricate din table laminate la cald). Fenomenul nu s-a semnalat in conducte executate din tevi laminate. Evidentierea degradarii prin HIC survine in trei perioade:

• in timpul probei hidraulice (in majoritatea cazurilor);
• in timpul exploatarii;
• in timpul perioadelor de inchidere a conductei.

Analiza fractografica a ruperilor, a permis elaborarea mecanismului de fisurare si rupere. Hidrogenul atomar produs in medii acide cu hidrogen sulfurat, difuzeaza in metal, acumulandu-se in zona incluziunilor nemetalice, in principal Al₂O₃ si MnS. Diferenta coeficientilor de dilatare dintre sulfura de mangan (MnS) si masa otelului creaza un spatiu in jurul incluziunilor, care favorizeaza acumularea si combinarea hidrogenului sub forma moleculara.Oxidul de aluminiu (Al₂O₃) exercita compresiuni asupra zonelor invecinate favorizand difuzia hidrogenului, avand ca efect fragilizarea zonei din vecinatatea incluziunii. Ruperea are loc prin initierea si propagarea unor fisuri paralele cu suprafata, care se unesc apoi in trepte pe directia grosimii materialului, figura 6.1.

Fig.6.1

      Singura metoda practica pentru depistarea degradarilor prin HIC in exploatare o reprezinta controlul cu ultrasunete. Metodele pentru reducerea sau eliminarea ruperilor prin HIC sunt utilizarea otelurilor semicalmate sau calmate cu siliciu, folosirea otelurilor cu un continut redus de sulf (sub 0,003%), microalierea cu cupru sau cu pamanturi rare, folosirea acoperirilor cu rasini sintetice si racirea rapida dupa laminare, care asigura o distributie fina a martensitei. Ca masura de exploatare , deoarece majoritatea ruperilor ca urmare a HIC se manifesta in timpul probei hidraulice.

Ruperea la oboseala

      Sub actiunea solicitarilor variabile materialele sufera degradari ireversibile constand din initierea si propagarea fisurilor, al caror efect final il reprezinta ruperea la oboseala. Dintre elementele utilajului petrolier care fac obiectul acestui curs sunt supuse solicitarilor variabile in principal componentele garniturii de foraj, prajinile pentru pompare si cuplul con-butonul falcii sapelor cu trei conuri. Ruperea la oboseala a imbinarilor filetate si a prajinilor de foraj reprezinta forma cea mai frecventa a avariilor elementelor garniturii de foraj. De asemenea, prajinile de pompare sunt avariate exclusiv prin rupere la oboseala in medii corosive, localizata in imbinarea filetata, in zona capetelor refulate si in corp. Fenomenul de oboseala la sapele de foraj se manifesta in principal prin fisurarea si spargerea conurilor si prin oboseala superficiala a lagarelor de rostogolire.

Fenomenul ruperii la oboseala se desfasoara in trei etape:

a) nucleatia fisurilor, determinata de modificarile locale ale caracteristicilor fizico-mecanice ale materialului;

b) propagarea fisurilor, prin cresterea lor succesiva pana la atingerea unei valori critice;

c) ruperea sectiunii transversale remanente a piesei.

      Initierea fisurilor in materialele policristaline are loc ca urmare a solicitarii repetate ce conduce la o ecruisare ciclica localizata initial in cristalele orientate favorabil in raport cu directia solicitarii. Ca mecanism, ecruisarea se datoreste cresterii densitatii dislocatiior, a caror miscare este impiedicata datorita interactiunii cu obstacole din reteaua cristalina sau cu configuratiile de dislocatii generate anterior. Dupa un numar relativ redus de cicluri de solicitare in cristalele orientate favorabil, miscarea dislocatiilor se concentreaza in anumite plane formand benzi de alunecare in care au loc 'eruptii' de material in folii subtiri denumite extruziuni, concomitent cu formarea in aceeasi banda a unor adancituri - intruziuni. Aparitia benzilor de alunecare si a intruziunilor reprezinta stadiul de nucleatie a fisurilor. Cu cresterea numarului de cicluri de solicitare, intruziunile se propaga intai in directia tensiunilor taietoare maxime (sub unghiul de 45^o fata de tensiunile normale ) in benzile de alunecare, reprezentand stadiul I de propagare, care corespunde la 15% din durtata de viata. In stadiul II de propagare, fig. a), frontul fisurii se orienteaza perpendicular pe directia tensiunii normale, fisura propagandu-se transcristalin (la unele materiale ca fonta cu grafit lamelar, otelul turnat, aliajele de aluminiu de inalta rezistenta, fisura se propaga si intercristalin). Caracteristica principala a acestui stadiu o reprezinta propagarea intermitenta a fisurii prin deschiderea si inchiderea fisurilor la fiecare ciclu de solicitare, fenomen ce se materializeaza si pe suprafata de rupere a piesei prin prezenta unor striuri caracteristice.

Fig. a) - Fisura transcristalina

      Viteza de propagare a fisurilor in stadiul II, da/dN (a - lungimea fisurii si N - numarul de cicluri), bazat pe conceptele mecanicii ruperii materialelor linear - elastice se exprima in functie de valoarea ciclica a factorului de intensitate a tensiunilor sub forma:

      In figura b) este reprezentata grafic acesta dependenta. In domeniile A si C se manifesta preponderent influenta microstructurii, iar in domeniul B (partial si in domeniul A), se manifesta influenta mediilor de lucru. Integrarea relatiei (7.1) permite determinarea numarului de cicluri pana la atingerea unei valori critice a lungimii fisurii care conduce la ruperea piesei si, prin aceasta, la calculul durabilitatii pieselor.

Fig. b) - Propagare instabila a fisurii

      La atingerea unei anumite valori a lungimii fisurii survine ruperea finala prin propagarea brusca a fisurii, atunci cand tensiunile de solicitare pe sectiunea remanenta a piesei depasesc rezistenta materialului. Astfel, sectiunea de rupere la oboseala a piesei va prezenta doua zone distincte : zona propagarii fisurii in stadiul II, relativ neteda si zona ruperii finale sau bruste, cu un aspect rugos. In figurile c) si d) se prezinta aspectele tipice ale suprafetelor de rupere la oboseala ale imbinarilor filetate ale garniturii de foraj. In fig. e) fisurile de oboseala au initiat in zonele marcate cu 1, s-au propagat spre interiorul piesei, iar ruperea finala, brusca s-a produs in zonele marcate cu 2.

Fig. c)

Analiza macroscopica a suprafetei de rupere (macrofactografia) da indicatii asupra cauzelor ruperii, iar prin raportul ariilor zonei de propagare a fisurilor si cea a ruperii finale se obtin indicatii privind intensitatea solicitarii, conform tabelului 7.1.

Tabelul 7.1 Aspectul suprafetelor de rupere

      Criteriul de baza pentru caracterizarea comportarii la solicitari variabile a materialelor il constituie rezistenta la oboseala, definita ca tensiunea maxima a ciclului de solicitare, in valoare absoluta, care poate fi suportata cu o durabilitate nelimitata fara a surveni ruperea. De asemenea, comportarea materialului la solicitari variabile se poate caracteriza prin durabilitatea la oboseala, care reprezinta numarul de cicluri N la care se produce ruperea in conditii de solicitare date. Determinarea caracteristicilor de rezistenta ale materialelor la solicitari variabile se face prin incercari la oboseala pe epruvete sau piese reale. Incercarile se pot efectua cu amplitudinea tensiunii constanta (Wöhler), cu trepte multiple de efort si cu solicitari variabile programate. In figura f) se prezinta curba Wöhler determinata pentru prajinile de foraj experimentate in aer (curba 1) si in fluid de foraj (curba 2). Se remarca imprastierea mare a rezultatelor, specifica incercarii la oboseala a pieselor reale si faptul ca mediul corosiv reduce valoarea rezistentei la oboseala, ajungand pana la anularea acesteia.

Fig. f )- Curba Wöhler

      Comportarea la oboseala este influentata de un mare numar de factori, care pot fi grupati in factori metalurgici, tehnologici, constructivi si de exploatare. Cunosterea influentei acestora este importanta pentru evidentierea cailor de crestere a rezistentei la oboseala, optimizarea tehnologiei de fabricatie si stabilirea conditiilor optime de exploatare.

      Influenta factorilor metalurgici. Procedeul de elaborare a otelului, gradul de dezoxidare, prelucrarea ulterioara in vid sau prin retopire in baie de zgura etc. influenteaza esential caracteristicile mecanice ale otelului, prin cantitatea, dimensiunea si distributia incluziunilor nemetalice, granulatia otelului si incluziunile gazoase. Cresterea gradului de puritate a otelului si finisarea granulatiei (prin dezoxidare cu Si si Al si tratarea in vid) conduc la cresterea rezistentei la oboseala, evidentiata prin cresterea raportului .Influenta incluziunilor nemetalice asupra rezistentei la oboseala este insa mai mica decat cea exercitata de prelucrarile mecanice.

      Influenta factorilor tehnologici. Obtinerea semifabricatelor prin deformare plastica la rece conduce la cresterea limitei de curgere si a rezistentei la rupere, iar in mai mica masura a rezistentei la oboseala.

      Directia fibrajului obtinut in urma deformarii plastice la cald conduce la o anizotropie pronuntata a proprietatilor, rezistenta la oboseala fiind mai mare cand epruvetele sunt prelevate in lungul fibrelor fata de cele prelevate transversal.

      Starea structurala a otelului influenteaza rezistenta la oboseala, aceasta modificandu-se prin tratament termic, in general similar cu modificarea rezistentei la rupere. Caracteristicile mecanice si de oboseala ale diferitelor structuri sunt sintetizate in figura 7.2 Se observa ca structura martensitica conduce la o crestere maxima a rezistentei la rupere, dar datorita lipsei de tenacitate, rezistenta la oboseala este mica. Cel mai bun raport prezinta structurile de imbunatatire.

Fig. 7.2 - Caracteristici mecanice si de oboseala

      Oxidarea sau decarburarea suprafetei in cursul operatiilor de incalzire pentru tratament termic si pentru deformare plastica (crusta de laminare), conduc la scaderea rezistentei la oboseala, conform fig. 7.

Fig. 7.3 - Rezistenta la oboseala

      Prelucrarea mecanica a suprafetei influenteaza caracteristicile fizico-mecanice ale acesteia, influentand rezistenta la oboseala prin modificarea rugozitatii, ecruisarii, tensiunilor reziduale, modificarilor structurale, modificarilor compozitiei chimice etc.

Prelucrarile mecanice de finisare duc la cresterea rezistentei la oboseala cu pana la 30% atat prin reducerea rugozitatii, cat si prin ecruisarea suprafetei si introducerea in strat a tensiunilor de compresiune. Pentru a aprecia influenta starii suprafetei, in special a rugozitatii asupra rezistentei la oboseala se utilizeaza coeficientul de calitate a suprafetei, , definit ca raportul dintre rezistenta la oboseala a piesei cu o suprafata corespunzatoare unei anumite prelucrari (_{-1 p}) si cea a piesei lustruite (

      Ecruisarea superficiala realizata prin rulare mareste rezistenta la oboseala datorita cresterii rezistentei la tractiune a stratului, dezvoltarii tensiunilor de compresiune in strat si reducerii rugozitatii. Procedeul este aplicat in principal pentru cresterea rezistentei la oboseala a imbinarilor filetate ale prajinilor grele si ale reductiilor, obtinandu-se cresteri de pana la 40%. Cele mai pronuntate cresteri ale rezistentei la oboseala se obtin la rularea concentratorilor de tensiuni, de exemplu a spirelor filetelor si a degajarilor pentru descarcarea tensiunilor.

Calirea superficiala conduce la cresterea rezistentei la oboseala, hotaratoare fiind adancimea si forma stratului durificat. Situatia optima se obtine atunci cand stratul durificat urmareste conturul piesei, iar scaderea duritatii de la strat la miez este lenta. In figura 7.4 se prezinta valorile coeficietului de calitate a suprafetei in functie de tehnologiile de prelucrare aplicate.

Fig. 7.4 - Coeficient de calitate

      Influenta factorilor constructivi. Rezistenta la oboseala este influentata atat de concentratorii interni de tensiuni (incluziuni nemetalice, retasuri, pori, fisuri etc.), cat si de concentratorii externi: filete, treceri de diametru, canale de pana etc. sau defecte ale suprafetei: crusta de laminare, stropi de sudura etc. Pentru evidentierea efectului concentratorului de tensiuni asupra rezistentei la oboseala se introduce coeficientul efectiv de concentrare a tensiunilor, _K , definit ca raportul dintre rezistenta la oboseala a piesei fara concentrator si cea a piesei cu concentrator, _-1K

      El este functie de forma concentratorului, de tipul solicitarii si de numarul de cicluri pana la rupere.  Forma concentratorului este luata cantitativ in consideratie prin intermediul coeficientului de concentrare a tensiunilor, _K (la solicitari statice), definit de relatia:

in care _max reprezinta tensiunea maxima la baza concentratorului, iar _n -tensiunea nominala.

      Coeficientul efectiv de concentrare a tensiunilor se determina atat teoretic, pe baza cunoasterii coeficientului de concentrare a tensiunilor _K, cat si experimental. In concluzie, pentru aprecierea conditiilor de producere a ruperii se utilizeaza caracteristicile de material determinate prin incercari mecanice traditionale (incercarea la tractiune, incercari la rupere prin soc, incercarea la oboseala) in aer sau in medii corosive, incercari pentru determinarea caracteristicilor necesare aplicarii criteriilor mecanicii ruperii materialelor (K_Ic, _c - deplasarea la deschidere a fisurii) si incercari speciale, folosite cu precadere la produsele cu destinatie speciala ca tevile de conducte etc. (incercarea de incovoiere prin soc pe epruvete incarcate cu sudura Pellini - Puzak, Drop Weight Tear Test s. a.). Caracteristicile mecanice astfel determinate sunt dependente de material si de tehnologia de fabricatie. In tabelul 1.5 se prezinta in sinteza criteriile de apreciere a sigurantei la rupere.

Tabelul 7.5