Miten titaaniluokan 5 lämmitysputkien jäännösjännitystaso (hehkutettu vs. hitsattu) vaikuttaa jännityskorroosioon metanolipitoisessa HCl-palvelussa?

Metanolista HCl:a (kloorivetyä metanolissa) käytetään lääkkeiden ja erikoiskemikaalien synteesissä reaktioissa, jotka vaativat vedettömiä happoja. Tämän palvelun lämmitysputket, jotka on valmistettu titaanilaadusta 5 (Ti-6Al-4V), ovat alttiita jännityskorroosiohalkeamiselle (SCC), erityisesti silloin, kun hitsauksesta tai muovauksesta aiheutuu jäännösjännitystä. Metanolinen HCl-krakkaus on rakeiden välistä ja tapahtuu nopeasti jopa huoneenlämpötilassa, kun taas vesipitoinen kloridi SCC on rakeiden välistä. Hehkutus jäännösjännityksen lievittämiseksi lisää SCC-vastusta merkittävästi. Kvantifiointi tehdään jäännösrasitustason vaikutuksesta SCC:n alkamisaikaan ja vaatimukset asetetaan luokalle 5 metanolipitoisessa HCl-palvelussa.

SCC-mekanismi metanolisessa HCl:ssä
Titaani on herkkä SCC:n kalvon{0}murtumismekanismille kloridi-ioneja sisältävissä metanoliliuoksissa. Metanolin dielektrisyysvakio on alhainen ja sen solvatointikyky riittämätön, minkä seurauksena kloridi-ionit ovat huonosti suojattuja. Ne hyökkäävät voimakkaasti passiivikalvoa vastaan ​​vetojännityksen paikoissa. Kun alkaneet halkeamat leviävät nopeasti ja vedettömissä olosuhteissa, repassivoituminen estyy. Vesipitoisuus yli 1-2 % vähentää SCC:tä. Useat toiminnot edellyttävät vedettömät olosuhteet.

Luokassa 5 on kaksi-vaiheinen mikrorakenne (alfa + beeta), joka johtaa galvaanisiin vaihteluihin vaiheiden välillä. Jäljellä oleva vetojännitys johtaa murtumien avautumiseen alfa-beeta-rajapintoja pitkin tai alfarakeiden läpi. Luokassa 5 SCC:n jännityskynnys 0,1-prosenttisessa HCl:ssä metanolissa on noin 150-200 MPa.

Jäännösstressitasot luokan 5 osissa
Jäännösjännitykset ovat suuret{0}}hitsatuissa luokan 5 putkissa:

GTAW (kaasuvolframikaarihitsaus) -hitsausvyöhyke: 200-400 MPa jäännösvetolujuus (yleensä yli myötörajan paikallisesti)

Lämmön vaikutusalue (HAZ): 150-300 Mpa

Putken taivutus (kylmätaivutus, jännitys poistettu): 100-250 MPa

Vedetyt letkut (ei jännityksenpoistoa): 100 - 200 MPa, pituussuuntainen

Hehkutus 700-750 astetta. C 1-2 tunnin ajan tyhjiössä tai argonissa johtaa alle 50 MPa:n jäännösjännityksiin koko komponentissa. Vertailun vuoksi luokan 5 myötöraja on 830-900 MPa (hehkutettu) tai 900-950 MPa (vanhennettu), joten 50 MPa on vain 5-6 % saannosta.

SCC-aloitusajat (metanolinen HCl)
Luokan 5 U-taivutusnäytteiden (ASTM G30) testaus 1 % HCl:ssa vedettömässä metanolissa 25 asteessa:

Hitsauksena (jäännösjännitys 250-350 MPa hitsin kärjessä): Halkeamat alkavat 2-10 tunnin kuluessa. Näytteet murtuivat 24-72 tunnin kohdalla. Haavoittuvin alue on hitsausalue.

Taivutettuna (kylmämuovattu, ei jännityksenpoistoa, jäännösjännitys 150-250 MPa): Halkeamia kehittyy 10-50 tunnin kuluttua. Katko 100-500 tuntia.

Hehkutettu (jäännösjännitys<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

Hehkutettu + puristuspintakäsittely (ruokittu) : Puristusjäännösjännitykset (negatiiviset) pystyvät estämään murtuman muodostumisen täysin . 2 000 tuntia, ei halkeamia.

Hehkutuksen vaikutus muihin ominaisuuksiin [12]
Hehkutus vähentää luokan 5 lujuuden: myötöraja 900-950 MPa (vanhennettu) 830-900 MPa:iin (hehkutettu). Tämä vähennys on usein hyväksyttävä lämmitysputkisovelluksissa, koska käyttöjännitykset ovat kohtalaisia ​​(sisäinen paine yleensä<20 bar, which corresponds to hoop stress <50 MPa). The benefit of annealing (removal of SCC risk) far overweighs the small loss in strength.

Luokan 5 sovellusmatriisi metanolisessa HCl:ssä
Komponenttien kunto Jäännösjännitystaso (MPa) SCC-aloitusaika (0,1 % HCl/MeOH, 25 astetta) Soveltuu huoltoon
Hitsattu-, ei stressinpoistoa 250-400 2-10 tuntia. Ei
Taivutettuna (kylmänä) ei stressin lievitystä10-50 tuntia 150-250 Ei
Kuten-vedetty letku 100-200 50-200 hrsNo (marginaali erittäin lyhyille erille)
Hehkutettu (700-750 astetta, 1-2 tuntia)<50 500-1,000+ hrsYes (monitoring)
Hehkutettu + ruiskupeenoitu Puristus > 2 000 tuntiaKyllä (suositellaan tärkeään huoltoon)
Liuoskäsitelty (suuri lujuus) vanhentunut Vaihtelee (riippuen sammutuksesta) Huono (suuri jäännösjännitys) Ei suositella
Käytännön ehdotuksia lämmittimen rakentamiseen
Titaaniluokan 5 lämmitinputket metanolipitoisessa HCl-palvelussa:

Kaikki hitsatut kokoonpanot on jälkihitsattava. Hehkutuslämpötila 700-750 astetta, pitoaika 1-2 tuntia/25 mm paksuus, argonilmakehä hapettumisen välttämiseksi.

Käytä letkua ilman pituussuuntaista hitsausta (saumaton). Kylmävedetty saumaton putki on vielä hehkutettava.

Älä taivuta kylmää. Käytä hehkutettua letkua ennen taivutusta tai kuumataivutusta (600-700 astetta).

Lisää toimenpiteeseen vettä, jos kemiallisesti mahdollista . -0.5-1.0% vesipitoisuus parantaa SCC:n vastustuskykyä 10-100 kertaa.

Tarkasta vuosittain tunkeutuvalla väriaineella tai pyörrevirralla hitsauksissa ja mutkissa.

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 >200 MPa halkeama tunneista päiviin. Hehkutus vähentää jäännösjännitystä < 50 MPa:iin, mikä nostaa aloitusajan 500-1,000+ tuntiin, mikä mahdollistaa käytännön huollon säännöllisellä tarkastuksella. Tärkeissä sovelluksissa, jotka vaativat äärettömän käyttöiän, putken pinta tulee puhkaista tai lasershokkipeidata puristusjäännösjännityksen aikaansaamiseksi. • Luokka 5: lämmittimet metanolipitoiselle HCl:lle: "hehkutettu ja stressinpoisto, jäännösjännitys<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.