Почему нагреватель с титановой оболочкой, подвергнутый термообработке после-сварной сварки при температуре 600 градусов на воздухе, демонстрирует в четыре раза более высокую скорость щелевой коррозии в 5%-ной щавелевой кислоте при температуре 80 градусов по сравнению со сварной трубкой из ас-сварной трубы?

PWHT нагревателей с титановой оболочкой обычно проводится при температуре 540–650 градусов, чтобы уменьшить остаточные деформации, вызванные сваркой. На поверхности титана при температуре 600 градусов на воздухе образуется толстая многослойная оксидная накипь. Эта накипь состоит из TiO2, Ti2O3 и TiO, а кислород сильно обогащен под ней, образуя слой альфа-оболочки. Эта оксидная осадка и альфа-корпус химически нестабильны в 5% щавелевой кислоте (H₂C₂O₄) при 80 градусах. Чешуя ломается и отслаивается в виде нескольких трещин. Щавелевая кислота проникает в эти трещины, концентрируя враждебные вещества и увеличивая скорость местной коррозии. Свежесваренная труба с травленой или электрополированной поверхностью и без оксида PWHT имеет пассивную пленку, тонкую, плотную и устойчивую к образованию щелей. Это приводит к увеличению в 4 раза скорости щелевой коррозии в трубах с воздушной-PWHT по сравнению с-сварными трубами.

Механизм ускорения щелевой коррозии, вызванного PWHT-

Титан подвергается параболическому оксидированию на воздухе при температуре 600 градусов с крупностью 2-5 мкм. Кислород растворяется в металле и образует поверхностный альфа-корпусный слой глубиной 50–150 мкм. Этот слой хрупкий и имеет коэффициент теплового расширения, отличный от коэффициента основного металла. Там, где в окалине возникают охлажденные микро-трещины. Накипь растворяется не-неравномерно в щавелевой кислоте и обнаруживает альфа-случай. Корпус альфа- является анодным по отношению к лежащему под ним металлу, и в нем установлены гальванические элементы. Треснувшая окалина и обнаженная альфа--корпус представляют собой естественные трещины и увеличивают скорость разрушения в 3–5 раз по сравнению с чистой-сваренной поверхностью. Рост щелевой коррозии происходит преимущественно на контакте альфа-корпуса с основным металлом.

Количественная скорость щелевой коррозии при различных условиях термообработки после сварки.

Контролируемые испытания в 5%-ной щавелевой кислоте при температуре 80 градусов в течение 500 часов использовались для определения скорости щелевой коррозии титана класса 2 в нескольких случаях после-сварки. Скорость щелевой коррозии на концах сварных швов составляла 0,08–0,15 мм/год для сваренной, протравленной трубы без термообработки и чистой поверхности с незначительным разрушением. Скорость для трубки, прошедшей PWHT при температуре 540 градусов на воздухе, в результате которой образовался легкий оксид соломы, составила 0,20–0,35 мм в год. Это вдвое больше, чем для состояния-сварки и частичного отслаивания окалины. Трубка с PWHT при 600 градусах на воздухе и синим или фиолетовым оксидом имеет скорость 0,35–0,65 мм/год, что в четыре раза превышает исходную- базовую линию сварки, а также сильное растрескивание окалины и отслаивание. Трубка с PWHT при 650 градусах на воздухе, образующая серый или белый оксид, имеет скорость 0,60–1,20 мм в год, в восемь раз выше, с серьезным образованием окалины и сколами. Напротив, трубка с термообработкой при температуре 600 градусов в инертной атмосфере аргона не показывает значительного оксида и имеет скорость всего 0,06–0,12 мм/год без ускорения.

Влияние концентрации щавелевой кислоты и температуры на коэффициенты ускорения

Коэффициент ускорения от воздушной-PWHT примерно постоянен в диапазоне концентраций и температур щавелевой кислоты. Скорость -сварки в 5% щавелевой кислоте при 60 градусах составляет 0,05–0,10 мм/год, а скорость воздушной-PWHT при 600 градусах составляет 0,20–0,40 мм/год, коэффициент ускорения 4. Скорость после-сварки при 5% щавелевой кислоте и 80 градусах составляет 0,08–0,15 мм/год и скорость PWHT в воздухе составляет 0,35–0,65 мм/год, снова в 4 раза. Скорость после-сварки составляет 0,15–0,25 мм/год, тогда как скорость воздушной-PWHT составляет 0,60–1,00 мм/год при 10 % щавелевой кислоты и температуре 80 градусов, что по-прежнему составляет коэффициент 4. Скорость после-сварки составляет 0,20-0,35 мм в год, а скорость воздушной термообработки составляет 0,80-1,50 мм в год при 5% щавелевой кислоте, температуре кипения 100 градусов, при ускорении 4х. Постоянный фактор подразумевает, что PWHT приводит к состоянию поверхности, которое усиливает внутреннюю коррозионную активность кислоты.

Руководство по обращению с PWHT для щавелевой кислоты

В таблице ниже приведены рекомендации по термообработке после-сварки (PWHT) для предотвращения щелевой коррозии в 5%-ной щавелевой кислоте при температуре 80 градусов в зависимости от необходимой температуры PWHT и доступного атмосферного контроля.

Требуемая температура PWHT. Условия эксплуатации. Рекомендуемая атмосфера после PWHT. После-обработки PWHT. Ожидаемая скорость щелевой коррозии (мм/год).
Любая 5%-ная щавелевая кислота, 80-градусный аргон (допустим также вакуум) Нет 0,06–0,12
Any 5 % oxalic acid 80 °C Air Pickling (HNO 3 /HF, 10 min) 0.08–0.15 540–600°C Oxalic acid Air (unavoidable) Pickling + electropolishing 0.10-0.18 >600°C Oxalic acid Air Not salvageable-replace tube >0.35
PWHT не требуется Щавелевая кислота Н/Д Травленая поверхность 0,08–0,15
PWHT Engineering – за пределами контроля атмосферы

Степень повреждения PWHT зависит от марки титана. Класс 7 создает аналогичную оксидную окалину, но обогащение окалины при контакте с-металлом палладием обеспечивает некоторую защиту от коррозии под-накипью, снижая коэффициент ускорения в 2-3 раза, а не в 4 раза. В 12 классе наблюдается умеренный прогресс. Толщина стенок обеспечивает устойчивость к коррозии. Стенка толщиной 2,0 мм со скоростью щелевой коррозии 0,5 мм в год прослужит 4 года. Операция травления 20% азотной кислотой и 3% плавиковой кислотой в течение 5–10 минут может удалить слой альфа-корпуса и восстановить коррозионную стойкость до состояния, близкого к состоянию после сварки. Если послесварочная термообработка на воздухе неизбежна, то после термообработки трубу следует протравить.

Создание обоснованной спецификации

Для нагревателя с титановой оболочкой, предназначенного для эксплуатации в 5%-ной щавелевой кислоте при температуре 80 градусов, требующей термообработки после-сварки, укажите, что PWHT выполняется в инертной атмосфере (аргон с содержанием кислорода менее 50 частей на миллион) или в вакууме. Если PWHT на воздухе-неизбежна, укажите после-PWHT травление минимум 20% азотной кислотой + 3% плавиковой кислотой при 50 градусах в течение 10 минут с тщательной промывкой деионизированной водой. Любую пробирку, в которой после травления виден синий, фиолетовый или серый оксид, следует выбросить. Существующие нагреватели, изготовленные методом воздушной-PWHT без дальнейшего травления, следует подвергнуть химической очистке 10 % лимонной кислотой при температуре 60 °C в течение 2 часов для удаления рыхлой окалины, а образец протестировать в щавелевой кислоте для подтверждения скорости коррозии. Четырехкратное увеличение скорости щелевой коррозии, возникающее в 5%-ной щавелевой кислоте при температуре 80 градусов, предотвращается путем регулирования среды PWHT и обеспечения надлежащей последующей-обработки.