كيف تؤثر جودة اللحام في أنبوب تسخين التيتانيوم على مقاومته للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي في وسط الكلوريد الساخن؟

التيتانيوم حساس للتكسير الناتج عن التآكل الإجهادي (SCC) في إحدى الظروف القليلة، وهي وسط الكلوريد الساخن. يتم تعريف وسائط الكلوريد الساخنة عمومًا على أنها أعلى من 60 درجة وبمحتوى كلوريد يزيد عن 1000 جزء في المليون. ينتشر SCC بسرعة من خلال جدار الأنبوب، مع إشارة مرئية قليلة، على عكس التنقر أو التآكل العام. التماس اللحام لأنبوب تسخين التيتانيوم هو الموقع الأكثر احتمالاً لبداية SCC. تعمل ضغوط الشد المتبقية الناتجة عن عملية اللحام، والتغيرات الهيكلية الدقيقة في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)، على تغيير ضغط عتبة المادة للتشقق بشكل كبير. من المهم فهم تأثير بعض خصائص جودة وصلة اللحام، مثل اللون والاختراق ومستوى الأكسدة ومعالجة ما بعد اللحام -، على مقاومة SCC من أجل اختيار سخانات لخدمة الكلوريد الساخن.

آليات بدء SCC المعدنية في لحامات التيتانيوم

يؤدي لحام التيتانيوم في الهواء إلى إنشاء تسلسل مميز من الألوان مما يشير إلى تلوث السطح. لون القش الفضي أو الشاحب يعني أكسدة أقل وحماية كافية. تشير الألوان الزرقاء أو الأرجوانية أو الرمادية إلى قدر كبير من امتصاص الأكسجين، مما يؤدي إلى هشاشة طبقة حالة ألفا-. تعتبر هذه الطبقة الغنية بالأكسجين- أصلب ولكنها أقل صلابة إلى حد كبير، والأهم من ذلك، أنها تحتوي على ضغط عتبة أقل لتكوين SCC في الكلوريدات. يؤدي التدوير الحراري السريع داخل HAZ إلى إنتاج مارتنسيت ألفا حلقي- رئيسي في الدرجات النقية تجاريًا، وهو أكثر عرضة لامتصاص الهيدروجين من المعدن الأساسي المتساوي المحاور. غالبًا ما تكون القوة الدافعة الميكانيكية هي ضغوط الشد المتبقية عند مقدمة اللحام، والتي تكون في حدود قوة الخضوع (240-340 ميجا باسكال للصف الثاني). يحدث امتزاز أيونات الكلوريد على السطح المؤكسد عندما تتلامس محاليل الكلوريد الساخنة مع منطقة اللحام، وتتطور الشقوق الصغيرة بسبب تركيز الإجهاد عند تموجات اللحام أو قواطعه السفلية. تنتشر هذه الشقوق بعد ذلك بشكل حبيبي عبر المنطقة المتضررة على طول طريق الحد الأقصى من الإجهاد المتبقي.

المعلمات الكمية لجودة اللحام وعتباتها لـ SCC

أثبتت الاختبارات المعملية الخاضعة للرقابة باستخدام-عينات الشد المضغوطة المتشققة مسبقًا في كلوريد المغنسيوم المغلي (155 درجة، 42% MgCl2) وجود علاقات كمية:

مستوى أكسدة اللحام: اللحامات الفضية/القش لها عتبة شدة إجهاد K ISCC تبلغ حوالي 55 ميجا باسكال. تظهر اللحامات الزرقاء K_ISCC أقل من 30-35 ميجا باسكال. بالنسبة إلى اللحامات الرمادية أو البيضاء (الأكسدة الشديدة)، يكون K_ISCC أقل من 15 ميجا باسكال وتنمو الشقوق بسرعة عند الأحمال المطبقة المنخفضة.

ارتفاع تقوية اللحام (اختراق الملء الزائد): كل 0.5 مم من التسليح فوق القطر الخارجي للأنبوب يضاعف عامل تركيز الإجهاد المحلي. بالنسبة إلى اللحامات ذات التسليح الأقل من 0.2 مم، يكون وقت بداية SCC أكبر من 2000 ساعة. التعزيز الذي يزيد عن 1.0 ملم يقلل من وقت البدء إلى أقل من 200 ساعة.

عمق قطع اللحام: يؤدي القطع السفلي بمقدار 0.1 مم إلى تقليل مساحة المقطع العرضي المحلي-بحوالي 5% ولكنه يزيد من الضغط المحلي بنسبة 15-20%. خدمة الكلوريد الساخن: لا يُسمح بالتقويض الذي يزيد عن 0.3 مم.

المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT): يؤدي تخفيف الإجهاد عند درجة حرارة 540-650 درجة لمدة 30 دقيقة إلى تقليل الإجهادات المتبقية في اللحام بنسبة 60-75% وزيادة الوقت اللازم لبدء عملية اللحام SCC بمعامل 5-10.

يعتمد التطبيق على دليل اختيار جودة اللحام

يعرض الجدول التالي إطار اختيار لتحديد جودة لحام سخان التيتانيوم فيما يتعلق بخطورة خدمة الكلوريد ومعايير السلامة.

حالة خدمة الكلوريد الساخن والموثوقية الأولوية المطلوبة متطلبات جودة اللحام الأساس المنطقي الأساسي وتعديل مخاطر SCC
الكلوريدات 1000-5000 جزء في المليون 60-80 درجة محلول نظيف عملية غير دورية لون القش الفضي، التعزيز أقل من أو يساوي 0.3 مم، لا يوجد قطع سفلي مرئي الظروف المعتدلة مقبولة لحامات GTAW الذاتية القياسية. تم فحصها بصريًا لقبول AWS D1.6 الفئة ب.
الكلوريدات 5000-20000 جزء في المليون، 80-100 درجة، مناطق عدم التدفق، دورات حرارية أسبوعية، صبغة القش الخفيفة، التعزيز أقل من أو يساوي 0.2 مم، تخفيف الضغط PWHT (550 درجة، 30 دقيقة) PWHT يقلل الضغط المتبقي تحت عتبة SCC. لا يسمح بالأكسدة الزرقاء. يجب فحص جميع اللحامات بواسطة صبغ مخترق.
Continuous Duty, chlorides >20000 جزء في المليون، 100 إلى 120 درجة مئوية، خدمة مياه البحر أو المياه المالحة. لا يوجد أكسيد مرئي (تطهير الظهر بالأرجون)، تدفق أرضي معزز ±0.1 مم، مقاومة PWHT Max SCC الكاملة ضرورية. تتم إزالة أدوات رفع الضغط عن طريق طحن اللحام بعد -. يفضل المعدن الأساسي من الدرجة 12 أو الصف 7.
كلوريد ساخن، الرقم الهيدروجيني<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.
هندسة جودة اللحام والمزيد

لا تعتمد جودة اللحام على سمك جدار الأنبوب ودرجة حرارة العمل. حتى اللحام-ذو الجودة الرديئة يمكن أن يخترق جدارًا سميكًا (1.5 مم) في غضون أسابيع، حيث يمكن أن تصل معدلات انتشار SCC في التيتانيوم إلى 1-2 مم/ساعة بمجرد إنشائها. ومع ذلك، فإن الجدار الرقيق (0.7 مم) ذو اللحام الممتاز (اللون الفضي، PWHT، التدفق الأرضي) سيستمر لسنوات في محلول ملحي ساخن. كما أن درجة المعدن الأساسي لها تأثير على قابلية اللحام: يتمتع التيتانيوم من الدرجة 12 (0.3% Mo و0.8% Ni) بصلابة لحام HAZ أفضل بكثير من الدرجة 2. عند التصميم لخدمة الكلوريد الساخن، حدد فحص اختراق الصبغة (ASTM E165) على جميع اللحامات، واقبل اللحامات فقط بدون أي مؤشرات. التطهير الخلفي بالأرجون أثناء اللحام ليس اختياريًا، فهو مطلوب لمنع أكسدة السطح الداخلي الذي لا يمكن رؤيته بالفحص الخارجي.

كيفية جعل مواصفات جيدة

(1) لون اللحام ليس أغمق من القش الفاتح وفقًا لمخطط ألوان AWS A5.16؛ (2) الحد الأقصى لتعزيز اللحام 0.2 مم؛ (3) لا تقويض. (4) فحص اختراق الصبغة بنسبة 100% مع تقرير مكتوب؛ (5) المعالجة الحرارية اللاحقة للحام للخدمة فوق 90 ​​درجة. عند تحديد أنابيب تسخين التيتانيوم لبيئات الكلوريد الساخنة فوق 60 درجة، فمن المستحسن تضمين متطلبات جودة اللحام التالية في مواصفات الشراء: طلب سجلات تأهيل إجراءات اللحام (PQR) التي توضح أن طريقة المورد تنتج لحامات مطابقة لهذه المعايير. وهذا يجعل جودة وصلة اللحام هي معلمة التصميم السائدة، والتي تسمح للمهندس بتنظيم مخاطر SCC بشكل مباشر في خدمة الكلوريد الساخن وتحويل اللحام من موقع بدء الفشل إلى جزء موثوق به من مجموعة السخان.