Cum afectează calitatea cusăturii de sudură a unui tub de încălzire din titan rezistența la fisurarea coroziunii prin stres în mediile de clorură fierbinte?

Titanul este sensibil la fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC) în una dintre puținele condiții, medii de clorură fierbinte. Mediile de clorură fierbinte sunt, în general, definite ca peste 60 de grade și cu conținut de clorură mai mare de 1.000 ppm. SCC se răspândește rapid prin peretele tubului, cu puține indicații vizuale, spre deosebire de pitting sau coroziune generală. Cusătura de sudură a unui tub de încălzire din titan este locul cel mai probabil pentru începutul SCC. Tensiunile de tracțiune reziduale introduse de procesul de sudare și modificările microstructurale în zona afectată de căldură (HAZ), modifică semnificativ tensiunea de prag a materialului pentru fisurare. Este important să înțelegem efectul anumitor caracteristici de calitate a cusăturii de sudură, cum ar fi culoarea, penetrarea, nivelul de oxidare și tratamentul post-sudură, asupra rezistenței SCC pentru a alege încălzitoarele pentru serviciul cu clorură fierbinte.

Mecanisme de inițiere SCC metalurgice în sudurile de titan

Sudarea cu titan în aer creează o secvență caracteristică de culori care indică contaminarea suprafeței. Nuanța argintie sau pai deschis înseamnă mai puțină oxidare și suficientă protecție. Culorile albastru, violet sau gri indică o absorbție prea mare de oxigen, ceea ce are ca rezultat un strat alfa-casabil. Acest strat îmbogățit-de oxigen este mai dur, dar substanțial mai puțin dur și, în mod critic, are un prag de stres mai mic pentru formarea SCC în cloruri. Ciclul termic rapid din interiorul HAZ produce martensită aciculară alfa-primă în clasele comerciale pure, care este mai predispusă la absorbția hidrogenului decât metalul de bază echiaxial. Forța de antrenare mecanică este adesea tensiunile de tracțiune reziduale la vârful sudării, care sunt de ordinul limitei de curgere (240-340 MPa pentru gradul 2). Adsorbția ionilor de clorură pe suprafața oxidată are loc atunci când soluțiile fierbinți de clorură intră în contact cu zona de sudură și se dezvoltă micro-fisuri din cauza concentrării tensiunilor la ondulațiile sau decupările de sudură. Aceste fisuri se propagă apoi transgranular prin ZAZ de-a lungul traseului tensiunii reziduale maxime.

Parametrii cantitativi ai calității sudurii și pragurile lor pentru SCC

Testele controlate de laborator care utilizează probe de tensiune compacte pre-cracate în clorură de magneziu la fierbere (155 grade , 42% MgCl2) au demonstrat relații cantitative:

Nivelul de oxidare a sudurii: Sudurile argint/paie au o intensitate de prag K ISCC de aproximativ 55 MPa√m. Sudurile albastre arată un K_ISCC mai mic de 30-35 MPa√m. Pentru suduri gri sau albe (oxidare severă), K_ISCC este sub 15 MPa√m și fisurile cresc rapid la sarcini reduse aplicate.

Înălțimea armăturii de sudură (penetrarea supraumplerii): Fiecare 0,5 mm de armătură deasupra diametrului exterior al tubului dublează factorul local de concentrare a tensiunii. Pentru sudurile cu armătură mai mică de 0,2 mm timpul de apariție a SCC este mai mare de 2000 h. Întărirea de peste 1,0 mm reduce timpul de inițiere la sub 200 de ore.

Adâncimea de tăiere a sudurii: o degajare de 0,1 mm scade aria secțiunii transversale locale cu aproximativ 5%, dar crește tensiunea locală cu 15-20%. Serviciu cu clorură fierbinte: decuparea mai mare de 0,3 mm nu este acceptabilă.

Tratament termic post-sudură (PWHT): reducerea tensiunii la 540-650 de grade timp de 30 de minute scade tensiunile reziduale din sudare cu 60-75% și crește timpul până la debutul SCC cu un factor de 5-10.

Aplicație bazată pe Ghidul de selecție a calității sudurii

Următorul tabel prezintă un cadru de alegere pentru stabilirea calității sudurii încălzitorului de titan în raport cu severitatea serviciului de clorură și standardele de siguranță.

Clorura fierbinte Condiție și fiabilitate Prioritate necesară Cerință privind calitatea sudurii Motivul principal și modificarea riscului SCC
Cloruri 1.000-5.000 ppm 60-80 de grade Soluție curată Funcționare neciclică Culoare argintie pai, armare Mai mică sau egală cu 0,3 mm, fără tăietură vizibilă Circumstanțele moderate sunt acceptabile pentru sudurile GTAW autogene standard. Inspectat vizual conform acceptării AWS D1.6 Clasa B.
Cloruri 5.000–20.000 ppm, 80–100 de grade, fără zone de curgere, cicluri termice săptămânale Nuanță ușoară de pai, armare Mai mică sau egală cu 0,2 mm, reducerea tensiunii PWHT (550 de grade, 30 min) PWHT scade stresul rezidual sub SCC. Nu este permis albastru de oxidare. Toate sudurile vor fi examinate cu penetrant colorant.
Continuous Duty, chlorides >20.000 ppm, 100 până la 120 grade C, serviciu cu apă de mare sau cu saramură. Fără oxid vizibil (cu purjare înapoi cu argon), armătură la nivelul solului ±0,1 mm, PWHT maximă Rezistență SCC maximă necesară. Se preferă metalul de bază de gradul 12 sau gradul 7.
Clorura fierbinte, 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.
Ingineria calității sudurii și multe altele

Calitatea sudurii nu depinde de grosimea peretelui tubului și de temperatura de lucru. Chiar și o sudură de calitate slabă-poate străpunge un perete gros (1,5 mm) în câteva săptămâni, deoarece ratele de propagare a SCC în titan pot fi de până la 1-2 mm/oră odată stabilite. Cu toate acestea, un perete subțire (0,7 mm) cu o sudură excelentă (culoare argintie, PWHT, curățare la sol) va rezista ani de zile în saramură fierbinte. De asemenea, calitatea metalului de bază are o influență asupra susceptibilității sudurii: titanul de gradul 12 (0,3% Mo și 0,8% Ni) are o rezistență HAZ la sudare mult mai bună decât gradul 2. Când proiectați pentru serviciul cu clorură fierbinte, specificați inspecția colorantului penetrant (ASTM E165) pe toate sudurile și acceptați numai suduri fără indicații. Purificarea înapoi cu argon în timpul sudării nu este opțională, este necesară pentru a preveni oxidarea suprafeței interioare care nu poate fi văzută la inspecția exterioară.

Cum să faci o specificație bună

(1) culoarea sudurii nu mai închisă decât paiele deschise conform diagramei de culori AWS A5.16; (2) armătură maximă de sudură 0,2 mm; (3) fără subcotare; (4) Inspecție 100% colorant penetrant cu raport scris; (5) tratament termic post-sudare pentru service peste 90 de grade . Când se specifică tuburi de încălzire cu titan pentru medii cu clorură fierbinte peste 60 de grade , este recomandabil să includeți următoarele cerințe de calitate a sudurii în specificația de achiziție: Solicitați înregistrări de calificare a procedurii de sudare (PQR) care să arate că metoda furnizorului corespunde acestor criterii. Acest lucru face ca calitatea cusăturii de sudură să fie parametrul dominant de proiectare, ceea ce permite inginerului să regleze direct riscul SCC în serviciul cu clorură fierbinte și să transforme sudarea dintr-un loc de inițiere a defecțiunii într-o parte fiabilă a ansamblului de încălzire.