Как качество сварного шва титановой нагревательной трубки влияет на ее устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением в горячих хлоридных средах?

Титан чувствителен к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) в одном из немногих условий - горячих хлоридных средах. Горячие хлоридные среды обычно имеют температуру выше 60 градусов и содержание хлоридов более 1000 частей на миллион. SCC быстро распространяется через стенку трубы практически без видимых признаков, в отличие от точечной или общей коррозии. Сварной шов титановой нагревательной трубки является наиболее вероятным местом возникновения КРН. Остаточные растягивающие напряжения, возникающие в процессе сварки, и микроструктурные изменения в зоне термического влияния (ЗТВ) существенно изменяют пороговое напряжение материала для растрескивания. Чтобы выбрать нагреватели для работы с горячим хлоридом, важно понимать влияние определенных характеристик качества сварного шва, таких как цвет, проплавление, уровень окисления и после-обработка сварки, на устойчивость к SCC.

Металлургические механизмы инициирования КРН в титановых сварных швах

Сварка титана на воздухе создает характерную последовательность цветов, указывающую на загрязнение поверхности. Серебристый или бледно-соломенный оттенок означает меньшее окисление и достаточную защиту. Синий, фиолетовый или серый цвета указывают на слишком сильное поглощение кислорода, что приводит к хрупкости слоя альфа-корпуса. Этот слой,-обогащенный кислородом, более твердый, но существенно менее прочный и, что особенно важно, имеет более низкое пороговое напряжение для образования SCC в хлоридах. Быстрое термоциклирование внутри ЗТВ приводит к образованию игольчатого альфа-первичного мартенсита в технически чистых марках, который более склонен к поглощению водорода, чем равноосный основной металл. Механической движущей силой часто являются остаточные растягивающие напряжения в носке шва, порядка предела текучести (240-340 МПа для класса 2). Адсорбция хлорид-ионов на окисленной поверхности происходит при попадании горячих растворов хлоридов на зону сварного шва и образовании микротрещин из-за концентрации напряжений в местах ряби или подрезов сварного шва. Эти трещины затем трансгранулярно распространяются через ЗТВ по маршруту максимального остаточного напряжения.

Количественные параметры качества сварного шва и их пороговые значения для SCC

Контролируемые лабораторные испытания с использованием предварительно-разрезанных компактных образцов растяжения в кипящем хлориде магния (155 градусов, 42 % MgCl2) продемонстрировали количественные зависимости:

Уровень окисления сварного шва: Сварные швы серебро/солома имеют пороговую интенсивность напряжения K ISCC около 55 МПа√м. Синие сварные швы имеют более низкое значение K_ISCC, составляющее 30–35 МПа√м. Для серых или белых сварных швов (сильное окисление) K_ISCC составляет менее 15 МПа√м, и трещины быстро растут при низких приложенных нагрузках.

Высота усиления сварного шва (провар): каждые 0,5 мм армирования выше наружного диаметра трубы удваивают локальный коэффициент концентрации напряжений. Для сварных швов с армированием менее 0,2 мм время возникновения КРН превышает 2000 ч. Армирование толщиной более 1,0 мм сокращает время инициации до менее 200 часов.

Глубина подреза сварного шва. Подрез 0,1 мм уменьшает локальную площадь поперечного сечения-примерно на 5 %, но повышает местное напряжение на 15–20 %. Работа с горячим хлоридом: подрез более 0,3 мм недопустим.

Термическая обработка после-сварки (PWHT). Снятие напряжений при температуре 540–650 градусов в течение 30 минут снижает остаточные деформации в сварном шве на 60–75 % и увеличивает время до появления SCC в 5–10 раз.

Применение на основе руководства по выбору качества сварного шва

В следующей таблице представлена ​​схема выбора для определения качества сварного шва титанового нагревателя в зависимости от суровости эксплуатации хлоридов и стандартов безопасности.

Условия эксплуатации горячего хлорида и приоритет надежности Требуемые требования к качеству сварных швов Основное обоснование и изменение риска SCC
Хлориды 1000-5000 ppm 60–80 градусов Чистый раствор Нециклический режим работы Серебристо-соломенный цвет, армирование Менее или равно 0,3 мм, без видимых подрезов. Умеренные условия приемлемы для стандартных автогенных сварных швов GTAW. Визуальная проверка на соответствие AWS D1.6 класса B.
Хлориды 5 000–20 000 частей на миллион, 80–100 градусов, отсутствие зон потока, еженедельные термические циклы. Светло-соломенный оттенок, армирование Менее или равно 0,2 мм, снижение напряжения PWHT (550 градусов, 30 минут). PWHT снижает остаточное напряжение ниже порога SCC. Никакое окисление синего цвета не допускается. Все сварные швы должны быть проверены капиллярной краской.
Continuous Duty, chlorides >20 000 частей на миллион, от 100 до 120 градусов C, работа в морской воде или соляном растворе. Отсутствие видимого оксида (обратная продувка аргоном), армирование шлифовано заподлицо ±0,1 мм, необходима полная стойкость к PWHT Max SCC. Повышенные напряжения удаляются шлифовкой после-сварки. Предпочтителен недрагоценный металл класса 12 или 7.
Горячий 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.
Инженерия качества сварки и многое другое

Качество сварного шва не зависит от толщины стенки трубы и температуры работы. Даже сварной шов плохого-качества может пробить толстую стенку (1,5 мм) за считанные недели, поскольку скорость распространения SCC в титане может достигать 1–2 мм/ч. Однако тонкая стенка (0,7 мм) с отличным сварным швом (серебристый цвет, PWHT, заподлицо с землей) прослужит годы в горячем рассоле. Кроме того, марка основного металла влияет на восприимчивость к сварке: титан класса 12 (0,3% Mo и 0,8% Ni) имеет гораздо лучшую вязкость ЗТВ сварного шва, чем класс 2. При проектировании для работы с горячими хлоридами определите контроль цветной дефектоскопии (ASTM E165) для всех сварных швов и принимайте только сварные швы без каких-либо указаний. Обратная продувка аргоном во время сварки необязательна, она необходима для предотвращения окисления внутренней поверхности, невидимого при внешнем осмотре.

Как составить хорошую спецификацию

(1) цвет сварного шва не темнее светло-соломенного согласно таблице цветов AWS A5.16; (2) максимальное усиление сварного шва 0,2 мм; (3) отсутствие подрезов; (4) 100% проверка проникающей способности красителя с письменным отчетом; (5) термообработка после-сварки для работы при температуре выше 90 градусов. При выборе титановых нагревательных трубок для работы в горячих хлоридных средах с температурой выше 60 градусов желательно включить в спецификацию на закупку следующие требования к качеству сварки: Запросить записи о квалификации процедуры сварки (PQR), показывающие, что метод поставщика позволяет получить сварные швы, соответствующие этим критериям. Это делает качество сварного шва доминирующим параметром проектирования, что позволяет инженеру напрямую регулировать риск возникновения SCC при работе с горячими хлоридами и превратить сварной шов из места возникновения отказа в надежную часть узла нагревателя.