Com afecta la qualitat de la soldadura d'un tub d'escalfament de titani a la seva resistència a l'esquerda per corrosió per estrès en medis de clorur calent?

El titani és sensible al craqueig per corrosió per estrès (SCC) en una de les poques condicions, els mitjans de clorur calent. El medi de clorur calent es defineix generalment com a superior a 60 graus i amb continguts de clorur superiors a 1.000 ppm. L'SCC s'estén ràpidament a través de la paret del tub, amb poca indicació visual, a diferència de la corrosió general o picat. La soldadura d'un tub d'escalfament de titani és el lloc més probable per començar l'SCC. Els esforços de tracció residuals introduïts pel procés de soldadura i els canvis microestructurals a la zona afectada per la calor (HAZ) alteren significativament la tensió llindar del material per a l'esquerdament. És important entendre l'efecte de determinades característiques de qualitat de la costura de soldadura, com ara el color, la penetració, el nivell d'oxidació i el tractament post-soldadura, sobre la resistència SCC per triar escalfadors per al servei de clorur calent.

Mecanismes d'iniciació de SCC metal·lúrgics en soldadures de titani

La soldadura de titani a l'aire crea una seqüència característica de colors que indica contaminació de la superfície. La tonalitat platejada o palla pàl·lida significa menys oxidació i prou protecció. Els colors blaus, morats o grisos indiquen una absorció excessiva d'oxigen, la qual cosa dóna lloc a una capa alfa-fràgil. Aquesta capa-enriquida en oxigen és més dura, però substancialment menys dura i, fonamentalment, té un llindar d'estrès més baix per a la formació de SCC en clorurs. El ràpid cicle tèrmic dins de la HAZ produeix martensita acicular alfa-primera en els graus comercialment purs, que és més propens a l'absorció d'hidrogen que el metall base equiaxial. La força motriu mecànica sovint són les tensions de tracció residuals a la punta de la soldadura, que són de l'ordre del límit elàstic (240-340 MPa per al grau 2). L'adsorció d'ions de clorur a la superfície oxidada es produeix quan les solucions de clorur calents contacten amb l'àrea de soldadura i es desenvolupen microesquerdes a causa de la concentració d'estrès a les ondulacions o els retalls de la soldadura. Aquestes esquerdes es propaguen després de forma transgranular a través de la HAZ al llarg de la ruta de la tensió residual màxima.

Els paràmetres quantitatius de la qualitat de la soldadura i els seus llindars per a SCC

Les proves de laboratori controlades que utilitzen mostres de tensió compactes pre-esquerdes en clorur de magnesi en ebullició (155 graus, 42% MgCl2) han demostrat relacions quantitatives:

Nivell d'oxidació de la soldadura: les soldadures de plata/palla tenen una intensitat d'estrès llindar K ISCC d'uns 55 MPa√m. Les soldadures blaves mostren un K_ISCC inferior de 30-35 MPa√m. Per a soldadures grises o blanques (oxidació severa), K_ISCC està per sota de 15 MPa√m i les esquerdes creixen ràpidament a baixes càrregues aplicades.

Alçada de reforç de soldadura (penetració de sobreompliment): cada 0,5 mm de reforç per sobre del diàmetre exterior del tub duplica el factor de concentració de tensió local. Per a soldadures amb reforç inferior a 0,2 mm el temps d'inici de SCC és superior a 2000 h. El reforç superior a 1,0 mm redueix el temps d'iniciació a menys de 200 hores.

Profunditat de socavació de la soldadura: un retall de 0,1 mm disminueix l'àrea de la secció transversal local-al voltant d'un 5%, però augmenta la tensió local entre un 15 i un 20%. Servei de clorur calent: no s'admet un retall superior a 0,3 mm.

Tractament tèrmic post-soldadura (PWHT): l'alleujament de l'estrès a 540-650 graus durant 30 minuts redueix les tensions residuals a la soldadura en un 60-75% i augmenta el temps fins a l'inici de l'SCC en un factor de 5-10.

Aplicació basada en la Guia de selecció de qualitat de soldadura

La taula següent presenta un marc d'elecció per establir la qualitat de la soldadura de l'escalfador de titani en relació amb la severitat del servei de clorur i els estàndards de seguretat.

Condició i fiabilitat del servei de clorur calent Prioritat requerida Requisit de qualitat de soldadura Justificació bàsica i modificació del risc SCC
Clorurs 1.000-5.000 ppm 60-80 graus Solució neta Funcionament no cíclic Color palla platejat, reforç Menys o igual a 0,3 mm, sense retall visible. S'admeten circumstàncies moderades per a soldadures GTAW autògenes estàndard. Inspeccionat visualment segons l'acceptació d'AWS D1.6 Classe B.
Clorurs 5.000–20.000 ppm, 80–100 graus, sense zones de flux, cicles tèrmics setmanals Tint clar de palla, reforç Menys o igual a 0,2 mm, alleujament de l'estrès PWHT (550 graus, 30 min) PWHT disminueix la tensió residual per sota de SCC. No es permet el blau d'oxidació. Totes les soldadures s'han d'examinar amb un penetrant de colorant.
Continuous Duty, chlorides >20.000 ppm, de 100 a 120 graus C, servei d'aigua de mar o salmorra Sense òxid visible (purgat posterior amb argó), reforç de terra ±0,1 mm, PWHT màxima resistència SCC necessària Els augmentadors de tensió s'eliminen mitjançant el triturat posterior a la soldadura. Es prefereix el metall base de grau 12 o grau 7.
Clorur calent, 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.
Enginyeria de qualitat de soldadura i més

La qualitat de la soldadura no depèn del gruix de la paret del tub i de la temperatura de treball. Fins i tot una soldadura de mala -qualitat pot trencar una paret gruixuda (1,5 mm) en qüestió de setmanes, ja que les taxes de propagació de SCC en titani poden arribar a ser d'1 a 2 mm/h un cop establertes. Tanmateix, una paret prima (0,7 mm) amb una soldadura excel·lent (color plata, PWHT, ras de terra) durarà anys en salmorra calenta. També el grau de metall base té una influència en la susceptibilitat de la soldadura: el titani de grau 12 (0,3% Mo i 0,8% Ni) té una resistència HAZ de soldadura molt millor que el grau 2. Quan es dissenya per al servei de clorur calent, especifiqueu la inspecció del penetrant de colorant (ASTM E165) a totes les soldadures i accepteu només soldadures sense indicacions. La purga posterior amb argó durant la soldadura no és opcional, és necessària per evitar l'oxidació de la superfície interior que no es pot veure amb la inspecció exterior.

Com fer una bona especificació

(1) el color de la soldadura no és més fosc que la palla clara segons la carta de colors AWS A5.16; (2) reforç màxim de soldadura 0,2 mm; (3) sense retallades; (4) Inspecció 100% penetrant de colorant amb informe escrit; (5) tractament tèrmic post-soldadura per al servei superior a 90 graus. Quan s'especifiquen tubs de calefacció de titani per a entorns de clorur calent per sobre de 60 graus, és recomanable incloure els requisits de qualitat de soldadura següents a l'especificació de contractació: Sol·liciteu registres de qualificació del procediment de soldadura (PQR) que mostrin que el mètode del proveïdor coincideix amb aquests criteris. Això fa que la qualitat de la soldadura sigui el paràmetre de disseny dominant, que permet a l'enginyer regular directament el risc de SCC en el servei de clorur calent i convertir la soldadura d'un lloc d'inici de falla a una part fiable del conjunt de l'escalfador.