Як якість зварного шва титанової нагрівальної трубки впливає на її стійкість до корозійного розтріскування під напругою в гарячому хлоридному середовищі?

Титан чутливий до корозійного розтріскування під напругою (SCC) в одній із небагатьох умов, гарячих хлоридних середовищах. Гаряче хлоридне середовище зазвичай визначається як вище 60 градусів і з вмістом хлориду понад 1000 ppm. SCC швидко поширюється крізь стінку труби з невеликими візуальними ознаками, на відміну від ямкової або загальної корозії. Зварний шов титанової нагрівальної трубки є найбільш імовірним місцем для початку SCC. Залишкові напруги розтягування, що виникають у процесі зварювання, і мікроструктурні зміни в зоні теплового впливу (HAZ) значно змінюють порогове напруження матеріалу для розтріскування. Важливо розуміти вплив певних характеристик якості зварного шва, таких як колір, проникнення, рівень окислення та обробка після-зварювання, на стійкість до SCC, щоб вибрати нагрівачі для роботи з гарячим хлоридом.

Металургійні механізми ініціювання SCC у титанових зварних швах

Зварювання титану на повітрі створює характерну послідовність кольорів, яка свідчить про забруднення поверхні. Срібний або блідо-солом'яний відтінок означає менше окислення та достатній захист. Синій, фіолетовий або сірий кольори вказують на надто велике поглинання кисню, що призводить до крихкого шару альфа-корпуса. Цей -збагачений киснем шар твердіший, але значно менш міцний і, що важливо, має нижчий поріг напруги для утворення SCC у хлоридах. Швидкий термічний цикл всередині ЗТВ дає голчастий альфа-мартенсит комерційно чистих марок, який більш схильний до поглинання водню, ніж рівновісний основний метал. Механічною рушійною силою часто є залишкові напруги розтягування на носці зварного шва, які мають порядок межі текучості (240-340 МПа для класу 2). Адсорбція іонів хлориду на окисленій поверхні відбувається, коли гарячі розчини хлориду контактують із зоною зварного шва, і утворюються мікротріщини через концентрацію напруги на брижах або підрізах зварного шва. Потім ці тріщини поширюються трансзерно через ЗТВ уздовж маршруту максимального залишкового напруження.

Кількісні параметри якості зварного шва та їх порогові значення для SCC

Контрольоване лабораторне випробування з використанням попередньо розбитих компактних зразків у киплячому хлориді магнію (155 градусів, 42% MgCl2) продемонструвало кількісні залежності:

Рівень окислення зварних швів: зварні шви срібло/соломка мають порогову інтенсивність напруги K ISCC приблизно 55 МПа√м. Сині зварні шви показують нижчий K_ISCC 30-35 МПа√м. Для сірих або білих зварних швів (сильне окислення) K_ISCC нижче 15 МПа√м, і тріщини швидко ростуть при низьких навантаженнях.

Висота посилення зварювального шва (проникнення при переповненні): кожні 0,5 мм арматури над зовнішнім діаметром труби подвоюють локальний коефіцієнт концентрації напруги. Для зварних швів з армуванням менше 0,2 мм час початку SCC перевищує 2000 годин. Зміцнення понад 1,0 мм скорочує час ініціації до 200 годин.

Глибина підрізу зварного шва: підрізання 0,1 мм зменшує локальну площу поперечного-перерізу приблизно на 5%, але підвищує локальне напруження на 15–20%. Обслуговування гарячим хлоридом: підрізання більше 0,3 мм неприпустимо.

Термообробка після-зварювання (PWHT): Зняття напруги при 540-650 градусах протягом 30 хвилин зменшує залишкові деформації у зварному шві на 60-75% і збільшує час до виникнення SCC у 5-10 разів.

Застосування на основі посібника з вибору якості зварного шва

У наступній таблиці представлено рамки вибору для встановлення якості зварного шва титанового нагрівача по відношенню до суворості використання хлориду та стандартів безпеки.

Умови використання гарячого хлориду та надійність Пріоритет Необхідні вимоги до якості зварного шва Основне обґрунтування та модифікація ризику SCC
Хлориди 1000-5000 ppm 60-80 градусів Чистий розчин Нециклічна робота Колір сріблястої соломи, армування Менше або дорівнює 0,3 мм, без видимого підрізу. Помірні обставини прийнятні для стандартних автогенних зварних швів GTAW. Візуально перевірено на відповідність AWS D1.6 класу B.
Хлориди 5 000–20 000 ppm, 80–100 градусів, без зон потоку, щотижневі термічні цикли Світло-солом’яний відтінок, армування Менше або дорівнює 0,2 мм, зменшення напруги PWHT (550 градусів, 30 хв) PWHT зменшує залишкову напругу нижче порогу SCC. Окислювальний синій не допускається. Усі зварні шви повинні бути перевірені пенетрантом.
Continuous Duty, chlorides >20 000 ppm, від 100 до 120 °C, морська вода або сольовий розчин Без видимого оксиду (зворотна продувка аргоном), шліфування арматури ±0,1 мм, необхідна повна PWHT Макс. стійкість до SCC Підвищувачі напруги видаляються шліфуванням після-зварювання. Бажано недорогоцінний метал 12 або 7 класу.
Гарячий хлорид, pH<4 or oxidizing species (Fe3+, Cu2+) Silver weld color + Weld toe cold working (shot peening) Compressive surface stress from peening offsets tensile residual stress. Specialized procedure, more expensive.
Розробка якості зварних швів і багато іншого

Якість зварного шва не залежить від товщини стінки труби і температури роботи. Навіть -зварний шов низької якості може пробити товсту стінку (1,5 мм) за лічені тижні, оскільки швидкість поширення SCC у титані може досягати 1-2 мм/год. Проте тонка стінка (0,7 мм) із відмінним зварюванням (сріблястий колір, PWHT, ґрунтовка) прослужить роки в гарячому розсолі. Сорт основного металу також впливає на чутливість зварного шва: титан класу 12 (0,3% Mo і 0,8% Ni) має набагато кращу в’язкість зварного шва в зоні зварювання, ніж клас 2. При проектуванні для роботи з гарячим хлоридом вкажіть проникаючу перевірку (ASTM E165) для всіх зварних швів і приймайте лише зварні шви без вказівок. Зворотна продувка аргоном при зварюванні необов'язкова, вона необхідна для запобігання окислення внутрішньої поверхні, що не видно при зовнішньому огляді.

Як скласти хорошу специфікацію

(1) колір зварного шва не темніший за світло-солом’яний відповідно до таблиці кольорів AWS A5.16; (2) максимальне посилення шва 0,2 мм; (3) відсутність підрізу; (4) 100% проникаюча перевірка барвника з письмовим звітом; (5) термічна обробка після -зварювання для використання при температурі вище 90 градусів. Указуючи титанові нагрівальні труби для середовищ з гарячим хлоридом вище 60 градусів, доцільно включити в специфікацію закупівлі наступні вимоги до якості зварювання: Вимагати протоколи кваліфікації процедури зварювання (PQR), які показують, що метод постачальника створює зварні шви, які відповідають цим критеріям. Це робить якість зварного шва домінуючим параметром конструкції, що дозволяє інженеру безпосередньо регулювати ризик SCC у гарячому хлориді та перетворювати зварний шов з місця ініціювання руйнування на надійну частину вузла нагрівача.