Hvordan påvirker restspenningsnivået (glødet vs. -sveiset) i varmerør av titanklasse 5 spenningskorrosjon i metanolisk HCl-tjeneste?

Metanolisk HCl (hydrogenklorid i metanol) brukes i syntese av legemidler og spesialkjemikalier for reaksjoner som krever vannfrie sure forhold. Varmerør i denne tjenesten laget av titanklasse 5 (Ti-6Al-4V) er utsatt for spenningskorrosjonssprekker (SCC), spesielt når restspenninger fra sveising eller forming er tilstede. Metanolisk HCl-cracking er transgranulær og skjer raskt selv ved romtemperatur, mens vandig klorid SCC er intergranulær. Gløding for å avlaste restspenning øker SCC-motstanden betydelig. Det foretas kvantifisering av effekten av restspenningsnivå på tid til SCC-initiering og det etableres krav til Grad 5 i metanolisk HCl-tjeneste.

SCC-mekanisme i metanolisk HCl
Titan er sårbart for en film-bruddmekanisme av SCC i metanoliske løsninger som inneholder kloridioner. Dielektrisitetskonstanten til metanol er lav og dens løsningsevne er utilstrekkelig, med det resultat at kloridioner er dårlig beskyttet. De angriper kraftig den passive filmen på steder med strekkspenning. Når påbegynte sprekker forplanter seg raskt og under vannfrie omstendigheter, forhindres repassivering. Vanninnhold over 1-2 % undertrykker SCC. Det kreves vannfrie forhold for flere aktiviteter.

Grad 5 har en to--mikrostruktur (alfa + beta) som fører til galvaniske variasjoner mellom faser. Gjenværende strekkspenning fører til åpning av brudd langs alfa-beta-grensesnitt eller gjennom alfa-korn. For grad 5 er stressterskelen for SCC i 0,1 % HCl i metanol omtrent 150-200 MPa.

Restbelastningsnivåer i klasse 5-deler
Restspenninger er store i-sveisede grad 5-rør:

GTAW (gass wolfram buesveising) sveisesone: 200-400 MPa strekkspenning (typisk over flytegrensen lokalt)

Varmepåvirket sone (HAZ): 150-300 Mpa

Rørbøy (kaldbøyd, strekkavlastet): 100-250 MPa

Trukket rør (ingen avspenning): 100 til 200 MPa, langsgående

Gløding 700-750 grader. C i 1-2 timer i vakuum eller argon resulterer i restspenninger lavere enn 50 MPa gjennom hele komponenten. For referanse er flytegrensen for klasse 5 830-900 MPa (glødet) eller 900-950 MPa (aldret), og dermed er 50 MPa bare 5-6 % av utbyttet.

SCC-initieringstider (metanolisk HCl)
Testing av grad 5 U-bøyeprøver (ASTM G30) i 1 % HCl i vannfri metanol ved 25 grader:

Som sveiset (restspenning 250-350 MPa ved sveisetå): Sprekker starter innen 2-10 timer. Prøver revnet etter 24 til 72 timer. Den mest sårbare regionen er sveisesonen.

Som-bøyd (kaldformet, ingen stressavlastning, restspenning 150-250 MPa): Sprekker utvikles etter 10 til 50 timer. Brudd mellom 100 og 500 timer.

Utglødd (reststress<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

Utglødd + trykkoverflatebehandling (kuttet): De kompressive restspenningene (negative) er i stand til å forhindre fullstendig brudddannelse . 2000 timer, ingen sprekker.

Effekt av gløding på andre egenskaper [12]
Gløding reduserer styrken til grad 5: flytegrense 900-950 MPa (aldret) til 830-900 MPa (glødet). Denne reduksjonen er ofte akseptabel for varmerørapplikasjoner da driftsspenningene er moderate (indre trykk generelt<20 bar, which corresponds to hoop stress <50 MPa). The benefit of annealing (removal of SCC risk) far overweighs the small loss in strength.

Påføringsmatrise av grad 5 i metanolisk HCl
Komponenttilstand Residual Stress Level (MPa) SCC-initieringstid (0,1 % HCl/MeOH, 25 grader) Egnet for service
Som-sveiset, ingen stressavlastning 250-400 2-10 timer. Ingen
Som-bøyd (kald) ingen stressavlastning10-50 timer 150-250 Nei
Som-trukne slanger 100-200 50-200 timer Nei (marginal for svært korte partier)
Glødet (700-750 grader, 1-2 timer)<50 500-1,000+ hrsYes (monitoring)
Utglødd + sprøytebehandlet Komprimerende > 2000 timer Ja (anbefalt for viktig service)
Løsningsbehandlet (høy styrke) eldet Varierer (avhengig av bråkjøling) Dårlig (høy restspenning) Anbefales ikke
Praktiske forslag til varmeovnskonstruksjon
For titan Grade 5 varmerør i metanolisk HCl-tjeneste:

Alle sveisede sammenstillinger skal ettersveises. Glødetemperatur 700-750 grader, holdetid 1-2 timer/25 mm tykkelse, argonatmosfære for å unngå oksidasjon.

Bruk rør uten langsgående sveis (sømløs). Kaldtrukne sømløse rør må fortsatt glødes.

Ikke kaldbøy. Bruk tilstandsglødd slange før bøying eller varmbøyning (600-700 grader).

Tilsett vann til prosedyren hvis det er kjemisk mulig . -0.5-1.0% vanninnhold øker SCC-motstanden 10–100 ganger.

Inspiser årlig med fargepenetrant eller virvelstrøm ved sveiser og bend.

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 sprekk på timer til dager. Gløding reduserer restspenning til < 50 MPa, noe som øker starttiden til 500-1,000+ timer, noe som muliggjør praktisk service med regelmessig inspeksjon. For viktige bruksområder som krever uendelig levetid, bør røroverflaten kule- eller lasersjokkpusses for å innføre gjenværende trykkspenning. • Grad 5: Varmere for metanolisk HCl: "glødet og stressavlastet, restspenning<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.