Jak ovlivňuje úroveň zbytkového napětí (žíhané vs. jako-svařované) v topných trubkách titanové třídy 5 korozní praskání pod napětím v provozu s methanolem HCl?

Methanolický HCl (hydrochlorid v methanolu) se používá při syntéze léčiv a speciálních chemikálií pro reakce, které vyžadují bezvodé kyselé podmínky. Topné trubky v tomto servisu vyrobené z titanu třídy 5 (Ti-6Al-4V) jsou náchylné ke koroznímu praskání (SCC), zejména pokud jsou přítomna zbytková napětí ze svařování nebo tváření. Methanolické krakování HCl je transgranulární a probíhá rychle i při teplotě místnosti, zatímco vodný chloridový SCC je intergranulární. Žíhání ke zmírnění zbytkového napětí výrazně zvyšuje odolnost SCC. Provádí se kvantifikace vlivu úrovně zbytkového napětí na dobu do iniciace SCC a jsou stanoveny požadavky pro stupeň 5 v provozu s methanolickým roztokem HCl.

Mechanismus SCC v methanolické HCl
Titan je zranitelný vůči mechanismu protržení filmu-SCC v methanolických roztocích obsahujících chloridové ionty. Dielektrická konstanta methanolu je nízká a jeho solvatační síla je nedostatečná, což má za následek, že chloridové ionty jsou špatně chráněny. Silně napadají pasivní film v místech tahového napětí. Jakmile se trhliny šíří rychle a v bezvodých podmínkách, je zabráněno repasivaci. Obsah vody nad 1-2 % potlačuje SCC. Bezvodé podmínky jsou vyžadovány pro několik činností.

Stupeň 5 se vyznačuje dvoufázovou mikrostrukturou (alfa + beta), která vede ke galvanickým variacím mezi fázemi. Zbytkové tahové napětí vede k otevření lomů podél alfa-beta rozhraní nebo přes alfa zrna. Pro stupeň 5 je prahová hodnota napětí pro SCC v 0,1% HCl v methanolu přibližně 150-200 MPa.

Úrovně zbytkového napětí v částech 5. stupně
Zbytková napětí jsou velká u-svařovaných trubek třídy 5:

Svarová zóna GTAW (svařování plynovým wolframovým obloukem): 200-400 MPa zbytkové napětí v tahu (místně typicky nad mezí kluzu)

Tepelně ovlivněná zóna (HAZ): 150-300 Mpa

Ohyb trubky (ohyb za studena, odlehčený v tahu): 100-250 MPa

Tažené trubky (bez odlehčení): 100 až 200 MPa, podélné

Žíhání 700-750 st. C po dobu 1-2 hodin ve vakuu nebo argonu vede ke zbytkovým napětím nižším než 50 MPa v celé součásti. Pro srovnání, mez kluzu pro stupeň 5 je 830-900 MPa (žíhaný) nebo 900-950 MPa (stárnutý), takže 50 MPa je pouze 5-6 % kluzu.

Doba iniciace SCC (methanolická HCl)
Testování vzorků ohybu U-stupně 5 (ASTM G30) v 1% HCl v bezvodém methanolu při 25 stupních:

Jako svařené (zbytkové napětí 250-350 MPa na špičce svaru): Trhliny vznikají během 2-10 hodin. Vzorky praskly za 24 až 72 hodin. Nejzranitelnější oblastí je oblast svaru.

Při-ohnutí (tvarované za studena, bez odlehčení pnutí, zbytkové napětí 150–250 MPa): Trhliny vznikají po 10 až 50 hodinách. Přerušení mezi 100 a 500 hodinami.

Žíhané (zbytkové pnutí<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

Povrchová úprava žíhaná + tlaková (otryskaná) : Zbytková napětí v tlaku (negativní) jsou schopna plně zabránit vzniku lomu . 2 000 hodin, žádné praskliny.

Vliv žíhání na jiné vlastnosti [12]
Žíhání snižuje pevnost stupně 5: mez kluzu 900-950 MPa (stárnutý) na 830-900 MPa (žíhaný). Toto snížení je často přijatelné pro aplikace ohřívacích trubek, protože provozní napětí je mírné (obecně vnitřní tlak<20 bar, which corresponds to hoop stress <50 MPa). The benefit of annealing (removal of SCC risk) far overweighs the small loss in strength.

Aplikační matrice stupně 5 v methanolické HCl
Stav součásti Úroveň zbytkového napětí (MPa) Doba iniciace SCC (0,1 % HCl/MeOH, 25 stupňů) Vhodné pro servis
Jak-svařeno, žádná úleva od stresu 250-400 2-10 hod. Žádný
Jako-ohnutý (studený) žádná úleva od stresu10–50 hodin 150–250 Ne
Jak-natažená hadička 100-200 50-200 hodNe (mezní pro velmi krátké šarže)
Žíhaný (700-750 stupňů, 1-2 hodiny)<50 500-1,000+ hrsYes (monitoring)
Žíhané + brokování Kompresivní > 2 000 hodinAno (doporučeno pro důležitý servis)
Ošetřené roztokem (vysoká pevnost) StárnutíRůzní (v závislosti na kalení)Špatné (vysoké zbytkové napětí)Nedoporučuje se
Praktické tipy pro stavbu ohřívačů
Pro titanové ohřívací trubice třídy 5 v methanolickém provozu HCl:

Všechny svařované sestavy musí být dodatečně žíhány. Teplota žíhání 700-750 stupňů, doba výdrže 1-2 hodiny/tloušťka 25 mm, atmosféra argonu, aby se zabránilo oxidaci.

Použijte trubky bez podélného svaru (bezešvé). Bezešvá trubka tažená za studena stále vyžaduje žíhání.

Neohýbejte za studena. Před ohýbáním nebo ohýbáním za tepla (600-700 stupňů) použijte žíhané trubky.

Pokud je to chemicky možné, přidejte do postupu vodu. . -0.5-1.0% obsah vody zvyšuje odolnost proti SCC 10–100krát.

Každoročně kontrolujte sváry a ohyby penetračním prostředkem nebo vířivým proudem.

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 trhlina v hodinách až dnech. Žíhání snižuje zbytkové pnutí na < 50 MPa, což zvyšuje čas startu na 500-1,000+ hodin, což umožňuje praktický servis s pravidelnou kontrolou. U důležitých aplikací, které vyžadují nekonečnou životnost, by měl být povrch trubky obroušen brokováním nebo otryskáním laserem, aby se vytvořilo zbytkové napětí v tlaku. • Stupeň 5: Ohřívače pro methanolický HCl: „žíhané a zbavené pnutí, zbytkové pnutí<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.