כיצד איכות תפר הריתוך של צינור חימום טיטניום משפיעה על עמידותו בפני פיצוח קורוזיה במתחים בחומרי כלוריד חמים?

טיטניום רגיש לפיצוח קורוזיה (SCC) באחד התנאים הבודדים, מדיית כלוריד חמה. מדיית כלוריד חמה מוגדרת בדרך כלל כמעל 60 מעלות ועם תכולת כלוריד של יותר מ-1,000 ppm. SCC מתפשט במהירות דרך דופן הצינור, עם אינדיקציה חזותית מועטה, בניגוד לבור או קורוזיה כללית. תפר הריתוך של צינור חימום טיטניום הוא האתר הסביר ביותר לתחילת SCC. מתחי מתיחה שיוריים המוכנסים בתהליך הריתוך ושינויים מיקרוסטרוקטורליים באזור מושפע החום (HAZ), משנים באופן משמעותי את מתח הסף של החומר לסדוק. חשוב להבין את ההשפעה של מאפייני איכות תפר ריתוך מסוימים, כגון צבע, חדירה, רמת חמצון וטיפול לאחר-ריתוך, על עמידות SCC על מנת לבחור מחממים לשירות כלוריד חם.

מנגנוני ייזום SCC מתכתיים בריתכות טיטניום

ריתוך טיטניום באוויר יוצר רצף אופייני של צבעים המעיד על זיהום פני השטח. גוון קש כסוף או חיוור אומר פחות חמצון ומספיק הגנה. צבעים כחולים, סגולים או אפורים מצביעים על ספיגת חמצן רבה מדי, מה שגורם לשכבת מארז אלפא- שבירה. השכבה המועשרת בחמצן- קשה יותר אך משמעותית פחות קשיחה, ובאופן קריטי, יש לה מתח נמוך יותר להיווצרות SCC בכלורידים. המחזוריות התרמית המהירה בתוך ה-HAZ מניבה מרטנזיט אלפא- אצילי בדרגות הטהורות מבחינה מסחרית, הנוטה יותר לספיגת מימן מאשר המתכת הבסיסית שוות הציר. הכוח המניע המכני הוא לעתים קרובות מתחי המתיחה הנותרים בבוהן הריתוך, שהם בסדר גודל של חוזק התנובה (240-340 MPa עבור דרגה 2). ספיחה של יוני כלוריד על פני השטח המחומצנים מתרחשת כאשר תמיסות כלוריד חמות מתקשרות עם אזור הריתוך, ומתפתחים סדקים מיקרו עקב ריכוז מתח באדוות ריתוך או חתכים. סדקים אלה מתפשטים בצורה מגרעינית דרך ה-HAZ לאורך המסלול של מתח שיורי מרבי.

הפרמטרים הכמותיים של איכות הריתוך והסף שלהם עבור SCC

בדיקות מעבדה מבוקרות תוך שימוש בדגימות מתח קומפקטיות-סדוקות מראש במגנזיום כלורי רותח (155 מעלות, 42% MgCl2) הוכיחו קשרים כמותיים:

רמת חמצון ריתוך: לריתוך כסף/קש יש עוצמת מתח סף K ISCC של כ-55 MPa√m. ריתוכים כחולים מציגים K_ISCC תחתון של 30-35 MPa√m. עבור ריתוכים אפורים או לבנים (חמצון חמור), K_ISCC הוא מתחת ל-15 MPa√m והסדקים גדלים במהירות בעומסים נמוכים.

גובה חיזוק ריתוך (חדירת מילוי יתר): כל 0.5 מ"מ של חיזוק מעל הקוטר החיצוני של הצינור מכפיל את גורם ריכוז המתח המקומי. עבור ריתוכים עם חיזוק של פחות מ-0.2 מ"מ, הזמן להופעת SCC גדול מ-2000 שעות. חיזוק מעל 1.0 מ"מ מפחית את זמן ההתחלה מתחת ל-200 שעות.

עומק חתך ריתוך: חיתוך של 0.1 מ"מ מקטין את שטח החתך המקומי- בכ-5%, אך מעלה את המתח המקומי ב-15-20%. שירות כלוריד חם: חתך חתך גדול מ-0.3 מ"מ אינו מקובל.

טיפול בחום לאחר-ריתוך (PWHT): הפגת מתחים ב-540-650 מעלות למשך 30 דקות מפחיתה את המתחים הנותרים בריתוך ב-60-75% ומגדילה את הזמן עד להופעת SCC בפקטור של 5-10.

יישום מבוסס על מדריך בחירת איכות ריתוך

הטבלה הבאה מציגה מסגרת בחירה לביסוס איכות ריתוך תנור טיטניום ביחס לחומרת השירות הכלוריד ותקני הבטיחות.

שירות כלוריד חם מצב ואמינות עדיפות נדרשת דרישת איכות ריתוך נימוק ליבה ושינוי סיכון SCC
כלורידים 1,000-5,000 ppm 60-80 מעלות פתרון נקי פעולה לא מחזורית צבע קש כסף, חיזוק פחות או שווה ל-0.3 מ"מ, ללא חתך נראית לעין נסיבות מתונות מקובלות עבור ריתוך GTAW אוטוגני סטנדרטי. נבדק ויזואלית לאישור AWS D1.6 Class B.
כלורידים 5,000-20,000 ppm, 80-100 מעלות, ללא אזורי זרימה, מחזורים תרמיים שבועיים, גוון קש קל, חיזוק פחות או שווה ל-0.2 מ"מ, הפחתת מתח PWHT (550 מעלות, 30 דקות) PWHT מוריד מתח שיורי מתחת ל-SCC. אסור לחמצון כחול. כל הריתוכים ייבדקו על ידי חודר צבע.
Continuous Duty, chlorides >20,000 עמודים לדקה, 100 עד 120 מעלות צלזיוס, שירות מי ים או מי מלח ללא תחמוצת גלויה (גב שטוף עם ארגון), חיזוק קרקע ±0.1 מ"מ, עמידות מלאה PWHT Max SCC נחוצה מגבי מתח מוסרים על ידי שחיקה לאחר-ריתוך. עדיפה מתכת בסיס דרגה 12 או דרגה 7.
כלוריד חם, 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.
הנדסת איכות ריתוך ועוד

איכות הריתוך אינה תלויה בעובי דופן הצינור ובטמפרטורת העבודה. אפילו ריתוך באיכות- ירודה יכול לפרוץ דרך דופן עבה (1.5 מ"מ) תוך שבועות ספורים, מכיוון שקצב התפשטות SCC בטיטניום יכול להגיע עד 1-2 מ"מ לשעה לאחר היווצרותו. עם זאת, קיר דק (0.7 מ"מ) עם ריתוך מצוין (צבע כסף, PWHT, שטיפת קרקע) יחזיק מעמד שנים במלח חם. כמו כן לדרגת המתכת הבסיסית יש השפעה על הרגישות לריתוך: טיטניום דרגה 12 (0.3% Mo ו-0.8% Ni) בעלת קשיחות HAZ ריתוך טובה בהרבה מזו של דרגה 2. בעת תכנון שירות כלוריד חם, ציין בדיקת חודר צבע (ASTM E165) על כל הריתוכים, וקבל ריתוכים ללא אינדיקציה בלבד. טיהור גב עם ארגון במהלך ריתוך אינו אופציונלי, הוא נדרש כדי למנוע חמצון של המשטח הפנימי אשר לא ניתן לראות בבדיקה חיצונית.

איך לעשות מפרט טוב

(1) צבע ריתוך לא כהה יותר מקש בהיר לפי תרשים הצבעים AWS A5.16; (2) חיזוק ריתוך מקסימלי 0.2 מ"מ; (3) ללא חתך; (4) בדיקת חודר צבע 100% עם דוח בכתב; (5) לאחר-טיפול בחום לריתוך עבור שירות מעל 90 מעלות. כאשר מציינים צינורות חימום טיטניום לסביבות כלוריד חמות מעל 60 מעלות, מומלץ לכלול את דרישות איכות הריתוך הבאות במפרט הרכש: בקש רשומות הסמכה של תהליך ריתוך (PQR) המראות ששיטת ההתאמה של הספק מייצרת קריטריונים אלה. זה הופך את איכות תפר הריתוך לפרמטר התכנון הדומיננטי, המאפשר למהנדס לווסת ישירות את סיכון ה-SCC בשירות כלוריד חם ולהפוך את הריתוך מאתר התחלת כשל לחלק אמין במכלול המחמם.