คุณภาพรอยเชื่อมของท่อทำความร้อนไทเทเนียมส่งผลต่อความต้านทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นในตัวกลางคลอไรด์ร้อนอย่างไร

ไทเทเนียมมีความไวต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น (SCC) ในสภาวะใดสภาวะหนึ่ง ซึ่งก็คือตัวกลางคลอไรด์ร้อน โดยทั่วไปตัวกลางคลอไรด์ร้อนถูกกำหนดให้สูงกว่า 60 องศา และมีปริมาณคลอไรด์มากกว่า 1,000 ppm SCC แพร่กระจายอย่างรวดเร็วผ่านผนังท่อ โดยมีข้อบ่งชี้ที่มองเห็นได้เพียงเล็กน้อย ไม่เหมือนการเกิดรูพรุนหรือการกัดกร่อนทั่วไป รอยเชื่อมของท่อทำความร้อนไทเทเนียมเป็นตำแหน่งที่น่าจะเริ่มต้น SCC ได้มากที่สุด ความเค้นดึงตกค้างที่เกิดขึ้นจากกระบวนการเชื่อม และการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคในบริเวณที่ได้รับความร้อน (HAZ) จะเปลี่ยนค่าความเค้นเกณฑ์ของวัสดุในการแตกร้าวอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจผลกระทบของคุณลักษณะคุณภาพรอยเชื่อมบางอย่าง เช่น สี การซึมผ่าน ระดับออกซิเดชัน และการบำบัดหลังการเชื่อม- ต่อความต้านทาน SCC เพื่อเลือกเครื่องทำความร้อนสำหรับบริการคลอไรด์ร้อน

กลไกการเริ่มต้น SCC ทางโลหะวิทยาในการเชื่อมไทเทเนียม

การเชื่อมไททาเนียมในอากาศจะสร้างลำดับสีที่เป็นลักษณะเฉพาะซึ่งบ่งบอกถึงการปนเปื้อนของพื้นผิว ฟางสีเงินหรือสีซีดหมายถึงการเกิดออกซิเดชันน้อยลงและการป้องกันที่เพียงพอ สีฟ้า สีม่วง หรือสีเทาบ่งบอกถึงการดูดซึมออกซิเจนมากเกินไป ซึ่งส่งผลให้ชั้นเคสอัลฟ่า-เปราะ ชั้นที่อุดมด้วยออกซิเจน-นี้จะแข็งกว่าแต่มีความเหนียวน้อยกว่ามาก และในช่วงวิกฤติคือมีความเครียดตามเกณฑ์ที่ต่ำกว่าสำหรับการก่อตัวของ SCC ในคลอไรด์ การหมุนเวียนด้วยความร้อนอย่างรวดเร็วภายใน HAZ ทำให้เกิดอัลฟา- ไพรม์มาร์เทนไซต์ในระดับบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะดูดซับไฮโดรเจนได้ง่ายกว่าโลหะฐานที่เท่ากัน แรงผลักดันทางกลมักเป็นความเค้นดึงตกค้างที่ปลายเชื่อม ซึ่งอยู่ในลำดับความแข็งแรงของคราก (240-340 MPa สำหรับเกรด 2) การดูดซับไอออนของคลอไรด์บนพื้นผิวที่ถูกออกซิไดซ์เกิดขึ้นเมื่อสารละลายคลอไรด์ร้อนสัมผัสกับบริเวณรอยเชื่อม และรอยแตกขนาดเล็กเกิดขึ้นเนื่องจากความเข้มข้นของความเครียดที่ระลอกคลื่นของรอยเชื่อมหรือรอยตัดด้านล่าง รอยแตกเหล่านี้แพร่กระจายแบบ transgranularly ผ่าน HAZ ตามเส้นทางของความเค้นตกค้างสูงสุด

พารามิเตอร์เชิงปริมาณของคุณภาพการเชื่อมและเกณฑ์สำหรับ SCC

การทดสอบในห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุมโดยใช้ตัวอย่างแรงดึงอัดก่อน-แตกร้าวในแมกนีเซียมคลอไรด์ที่กำลังเดือด (155 องศา , 42% MgCl2) ได้แสดงให้เห็นความสัมพันธ์เชิงปริมาณ:

ระดับออกซิเดชันของรอยเชื่อม : รอยเชื่อมเงิน/ฟางมีความเข้มของความเครียดตามเกณฑ์ K ISCC ที่ประมาณ 55 MPa√m รอยเชื่อมสีน้ำเงินแสดง K_ISCC ต่ำกว่าที่ 30-35 MPa√m สำหรับรอยเชื่อมสีเทาหรือสีขาว (ออกซิเดชั่นรุนแรง) K_ISCC มีค่าต่ำกว่า 15 MPa√m และรอยแตกจะเติบโตอย่างรวดเร็วที่โหลดที่ใช้ต่ำ

ความสูงเสริมแรงเชื่อม (การเจาะทะลุ): การเสริมแรงแต่ละ 0.5 มม. เหนือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อจะเพิ่มปัจจัยความเข้มข้นของความเค้นเฉพาะจุดเป็นสองเท่า สำหรับการเชื่อมที่มีการเสริมแรงน้อยกว่า 0.2 มม. ระยะเวลาในการเริ่มต้นของ SCC จะมากกว่า 2000 ชั่วโมง การเสริมแรงที่มากกว่า 1.0 มม. ช่วยลดเวลาการเริ่มต้นให้ต่ำกว่า 200 ชั่วโมง

ความลึกของการตัดส่วนล่างของการเชื่อม: การตัดส่วนล่าง 0.1 มม. จะลดพื้นที่หน้าตัดเฉพาะที่-ลงประมาณ 5% แต่จะเพิ่มความเครียดเฉพาะที่ขึ้น 15–20% บริการคลอไรด์ร้อน: ไม่อนุญาตให้มีการตัดส่วนล่างที่มากกว่า 0.3 มม.

การอบชุบด้วยความร้อนหลัง-การเชื่อม (PWHT): การบรรเทาความเครียดที่ 540-650 องศาเป็นเวลา 30 นาทีจะช่วยลดความเครียดที่ตกค้างในการเชื่อมได้ 60-75% และเพิ่มเวลาในการเริ่มต้นของ SCC ขึ้น 5-10 เท่า

การใช้งานตามคู่มือการเลือกคุณภาพการเชื่อม

ตารางต่อไปนี้นำเสนอกรอบทางเลือกสำหรับการสร้างคุณภาพการเชื่อมของเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมโดยสัมพันธ์กับความรุนแรงของการบริการคลอไรด์และมาตรฐานความปลอดภัย

เงื่อนไขการบริการน้ำร้อนคลอไรด์และความน่าเชื่อถือ ลำดับความสำคัญที่ต้องการ ข้อกำหนดคุณภาพการเชื่อม เหตุผลหลักและการปรับเปลี่ยนความเสี่ยง SCC
คลอไรด์ 1,000-5,000 ppm 60-80 องศา สารละลายสะอาด การทำงานแบบไม่เป็นวงจร สีฟางเงิน การเสริมแรง น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.3 มม. ไม่มีรอยตัดด้านล่างที่มองเห็นได้ สถานการณ์ปานกลางเป็นที่ยอมรับสำหรับการเชื่อม GTAW แบบอัตโนมัติมาตรฐาน ตรวจสอบด้วยสายตาเพื่อการยอมรับ AWS D1.6 Class B
คลอไรด์ 5,000–20,000 ppm, 80–100 องศา , ไม่มีโซนการไหล, รอบการให้ความร้อนรายสัปดาห์ สีฟางอ่อน, การเสริมแรง น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.2 มม., การบรรเทาความเครียด PWHT (550 องศา , 30 นาที) PWHT ลดความเค้นตกค้างที่ต่ำกว่าเกณฑ์ SCC ไม่อนุญาตให้ออกซิเดชันสีน้ำเงิน รอยเชื่อมทั้งหมดจะต้องตรวจสอบด้วยสารแทรกซึมสีย้อม
Continuous Duty, chlorides >20,000 ppm, 100 ถึง 120 deg C, บริการน้ำทะเลหรือน้ำเกลือ ไม่มีออกไซด์ที่มองเห็นได้ (ล้างด้วยอาร์กอนด้านหลัง), การล้างกราวด์เสริมแรง ±0.1 มม., จำเป็นต้องมีความต้านทาน PWHT Max SCC เต็ม ตัวเพิ่มความเครียดจะถูกกำจัดออกโดยการเจียรหลัง- แนะนำให้ใช้โลหะพื้นฐานเกรด 12 หรือเกรด 7
คลอไรด์ร้อน 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.
วิศวกรรมคุณภาพการเชื่อมและอื่นๆ

คุณภาพของการเชื่อมไม่ได้ขึ้นอยู่กับความหนาของผนังท่อและอุณหภูมิในการทำงาน แม้แต่การเชื่อมที่มีคุณภาพต่ำ-ก็สามารถทะลุผนังหนา (1.5 มม.) ได้ในเวลาไม่กี่สัปดาห์ เนื่องจากอัตราการแพร่กระจายของ SCC ในไทเทเนียมอาจสูงถึง 1-2 มม./ชม. เมื่อสร้างแล้ว อย่างไรก็ตาม ผนังบาง (0.7 มม.) ที่มีการเชื่อมที่ดีเยี่ยม (สีเงิน, PWHT, กราวด์ฟลัช) จะคงอยู่ได้นานหลายปีในน้ำเกลือร้อน นอกจากนี้ เกรดโลหะพื้นฐานยังมีอิทธิพลต่อความไวต่อการเชื่อม: ไทเทเนียมเกรด 12 (0.3% Mo และ 0.8% Ni) มีความเหนียว HAZ ในการเชื่อมที่ดีกว่าเกรด 2 มาก เมื่อออกแบบสำหรับการบริการคลอไรด์ร้อน ให้ระบุการตรวจสอบสารแทรกซึมด้วยสีย้อม (ASTM E165) บนรอยเชื่อมทั้งหมด และยอมรับเฉพาะรอยเชื่อมที่ไม่มีข้อบ่งชี้เท่านั้น การล้างกลับด้วยอาร์กอนในระหว่างการเชื่อมไม่ใช่ทางเลือก แต่จำเป็นเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวด้านในซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยการตรวจสอบภายนอก

วิธีทำสเปคที่ดี

(1) สีเชื่อมไม่เข้มกว่าฟางอ่อนตามแผนภูมิสี AWS A5.16 (2) การเสริมแรงเชื่อมสูงสุด 0.2 มม. (3) ไม่มีการตัดราคา; (4) การตรวจสอบสารแทรกซึมสีย้อม 100% พร้อมรายงานที่เป็นลายลักษณ์อักษร (5) การรักษาความร้อนหลังการเชื่อม-สำหรับการบริการที่สูงกว่า 90 องศา เมื่อระบุท่อทำความร้อนไทเทเนียมสำหรับสภาพแวดล้อมคลอไรด์ร้อนที่สูงกว่า 60 องศา ขอแนะนำให้รวมข้อกำหนดคุณภาพการเชื่อมต่อไปนี้ไว้ในข้อกำหนดการจัดซื้อจัดจ้าง: ขอบันทึกคุณสมบัติขั้นตอนการเชื่อม (PQR) แสดงให้เห็นว่าวิธีการของซัพพลายเออร์สร้างรอยเชื่อมที่ตรงกับเกณฑ์เหล่านี้ สิ่งนี้ทำให้คุณภาพของตะเข็บเชื่อมเป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่โดดเด่น ซึ่งช่วยให้วิศวกรสามารถควบคุมความเสี่ยง SCC ในการให้บริการคลอไรด์ร้อนได้โดยตรง และเปลี่ยนการเชื่อมจากจุดเริ่มต้นความล้มเหลวไปเป็นชิ้นส่วนที่เชื่อถือได้ของชุดเครื่องทำความร้อน