Com influeix el nivell d'estrès residual (recuit versus com-soldat) en tubs de calefacció de titani grau 5?

L'HCl metanòlic (clorur d'hidrogen en metanol) s'utilitza en la síntesi de productes farmacèutics i productes químics especials per a reaccions que requereixen condicions d'àcid anhidre. Els tubs d'escalfament d'aquest servei fets de titani grau 5 (Ti-6Al-4V) són susceptibles a les esquerdes per corrosió per tensió (SCC), especialment quan hi ha tensions residuals de soldadura o conformació. El craqueig metanòlic de HCl és transgranular i es produeix ràpidament fins i tot a temperatura ambient, mentre que el clorur aquós SCC és intergranular. El recuit per alleujar l'estrès residual augmenta significativament la resistència SCC. Es quantifica l'efecte del nivell d'estrès residual en el temps fins a l'inici de l'SCC i s'estableixen els requisits per al grau 5 en el servei de HCl metanòlic.

Mecanisme SCC en HCl metanòlic
El titani és vulnerable a un mecanisme de-ruptura de pel·lícula de SCC en solucions metanòliques que contenen ions clorur. La constant dielèctrica del metanol és baixa i el seu poder solvatant és insuficient, amb el resultat que els ions clorur estan mal protegits. Ataquen amb força la pel·lícula passiva en llocs de tensió de tracció. Un cop començades les esquerdes es propaguen ràpidament i en circumstàncies anhidres, s'evita la repassivació. El contingut d'aigua per sobre de l'1-2% suprimeix SCC. Es requereixen condicions anhidres per a diverses activitats.

El grau 5 té una microestructura de dues-fases (alfa + beta) que provoca variacions galvàniques entre fases. L'esforç de tracció residual condueix a l'obertura de fractures al llarg de les interfícies alfa-beta o a través de grans alfa. Per al grau 5, el llindar d'estrès per a SCC en HCl al 0,1% en metanol és d'uns 150-200 MPa.

Nivells d'estrès residual a les parts de 5è grau
Les tensions residuals són grans en els-tubs de grau 5 soldats:

Zona de soldadura GTAW (soldadura per arc de tungstè amb gas): esforç residual de tracció de 200-400 MPa (normalment per sobre del límit de fluència localment)

Zona afectada per la calor (HAZ): 150-300 Mpa

Corba del tub (corbat en fred, alleugeriment de la tensió): 100-250 MPa

Tubs estirats (sense alleujament de tensions): 100 a 200 MPa, longitudinal

Recuit 700-750 graus. C durant 1-2 hores al buit o argó provoca tensions residuals inferiors a 50 MPa en tot el component. Com a referència, el límit de fluència per al grau 5 és de 830-900 MPa (recuit) o ​​900-950 MPa (envellit), per tant, 50 MPa és només un 5-6% del rendiment.

Temps d'inici de SCC (HCl metanòlic)
Prova d'exemplars de flexió en U de grau 5 (ASTM G30) en HCl a l'1% en metanol anhidre a 25 graus:

Tal com està soldat (tensió residual 250-350 MPa a la punta de la soldadura): les esquerdes s'inicien en 2-10 hores. Espècimens fracturats entre 24 i 72 hores. La regió més vulnerable és la zona de soldadura.

Com a-doblat (format en fred, sense alleujament de l'estrès, tensió residual 150-250 MPa): es desenvolupen esquerdes després de 10 a 50 hores. Trencament entre 100 i 500 hores.

Recuit (estrès residual<50 MPa): No cracks seen after 1,000 hours in U-bend testing (residual stress removed, bending stress persists). Applied stress (internal pressure, thermal expansion) may still generate SCC during actual service , however the onset time is extended to 500-1,000+ hours

Tractament superficial recuit + compressió (granallat): els esforços residuals de compressió (negatius) són capaços d'evitar completament la formació de fractures. 2,000 hores, sense esquerdes.

Efecte del recuit sobre altres propietats [12]
El recuit redueix la resistència del grau 5: límit de fluència 900-950 MPa (envellit) a 830-900 MPa (recuit). Aquesta reducció és sovint acceptable per a aplicacions de tubs d'escalfador, ja que les tensions de funcionament són moderades (pressuri interna en general<20 bar, which corresponds to hoop stress <50 MPa). The benefit of annealing (removal of SCC risk) far overweighs the small loss in strength.

Matriu d'aplicació de grau 5 en HCl metanòlic
Condició del component Nivell d'estrès residual (MPa) SCC Temps d'inici (0,1% HCl/MeOH, 25 graus) Apte per al servei
Tal com està-soldat, sense alleujament de tensió 250-400 2-10 hores. No
Com-doblat (fred) sense alleujar l'estrès10-50 hores 150-250 No
Com a-tub estirat 100-200 50-200 hrsNo (marginal per a lots molt curts)
Recuit (700-750 graus, 1-2 h)<50 500-1,000+ hrsYes (monitoring)
Recuit + granallat Compressió > 2.000 horesSí (recomanat per a un servei important)
Solució tractada (alta resistència) envellitVaria (segons l'extinció) Dolent (estrès residual elevat) No recomanat
Suggeriments pràctics per a la construcció d'escalfadors
Per a tubs d'escalfador de titani de grau 5 en servei d'HCl metanòlic:

Tots els conjunts soldats s'han de recuit postsoldament. Temperatura de recuit 700-750 graus, temps de retenció 1-2 hores / 25 mm de gruix, atmosfera d'argó per evitar l'oxidació.

Utilitzeu tubs sense soldadura longitudinal (sense soldadura). El tub sense costures estirat en fred encara necessita ser recuit.

No doblegueu en fred. Utilitzeu tubs recuits abans de doblegar-lo o doblegar-lo en calent (600-700 graus).

Si és possible químicament, afegiu aigua al procediment . -0.5-1.0% de contingut d'aigua millora la resistència a l'SCC de 10 a 100 vegades.

Inspeccioneu anualment amb penetrant de colorant o corrents de Foucault a les soldadures i corbes.

The residual stress level is the primary governing element of SCC resistance in Grade 5 titanium heating tubes for methanolic HCl application. As-welded components with residual stresses >Esquerda de 200 MPa en hores o dies. El recuit redueix la tensió residual a < 50 MPa, la qual cosa augmenta el temps d'inici a 500-1,000+ hores, permetent un servei pràctic amb una inspecció regular. Per a aplicacions importants que necessiten una vida infinita, la superfície del tub s'ha de granallar amb granalla o làser per introduir una tensió residual de compressió. • Grau 5: Escalfadors per a HCl metanòlic: "recuit i alleujat, tensió residual<50 MPa per ASTM E837" "seamless tubing, hot bent." Do not accept as-welded or cold-bent components, regardless of wall thickness, because SCC will lead to quick failure irrespective of the corrosion allowance. If SCC risk is not tolerable, consider substitution by Grade 7 or Grade 12 which has better resistance to methanolic SCC or add water to the process to suppress cracking.