Wie verändert die Rohrendenversiegelungsmethode (Widerstandsschweißen vs. Laserschweißen) für eine Titanmantelheizung die Inkubationszeit für Spannungsrisskorrosion in siedendem 40 %igem NaOH?

Ätzende Risse können in Titanheizgeräten, die 40 %iges Natriumhydroxid (NaOH) bei etwa 125 Grad sieden, zu Spannungsrisskorrosion (SCC) führen. Die Rohrenddichtung, an der der Widerstandsdraht in die Hülle eintritt, ist eine bedeutende Stelle mit hoher Eigenspannung. Die traditionelle Methode zum Abdichten von Titanhüllen ist das Widerstandsschweißen mit einer Kohlenstoffelektrode, die eine breite Wärmeeinflusszone (HAZ) mit erheblicher Eigenzugspannung erzeugt. Der konzentrierte Strahl beim Laserschweißen erzeugt eine sehr schmale HAZ, verringerte Eigenspannung und geringe Verschmutzung. Die Inkubationszeit für SCC (Zeit vor der Rissbildung) ist bei lasergeschweißten Dichtungen drei- bis fünfmal länger als bei widerstandsgeschweißten Dichtungen.

Mechanismus der SCC-Inkubation in geschweißten Dichtungen in ätzender Lösung

SCC in siedendem 40 %igem NaOH erfordert drei Bedingungen: hohe Zugspannung, anfällige Mikrostruktur und korrosive Umgebung. Die Eigenspannungen beim Widerstandsschweißen sind größer (150–250 MPa) als beim Laserschweißen (50–100 MPa). Widerstandsschweißen hat auch eine größere HAZ mit mehr Korngrenzendefekten und einer Verunreinigung mit Eisen durch die Kohlenstoffelektroden, die als SCC-Auslöser dienen. Beim Laserschweißen entsteht eine saubere, schmale HAZ mit geringer Eigenspannung und ohne Verunreinigungen durch die Elektrode, wodurch die Rissbildung verzögert wird. Sobald die Rissbildung ausgelöst wird, breitet sie sich transgranular über den Schweißbereich aus.

Quantitative SCC-Inkubationszeiten für verschiedene Schweißprozesse

SCC-Inkubationszeiten für verschiedene Schweiß- und Nachbehandlungsbedingungen von Rohrenddichtungen aus Titan der Güteklasse 2 wurden durch kontrollierte Tests in kochender 40 %iger NaOH bei 125 Grad und Atmosphärendruck ermittelt. Die SCC-Inkubationszeit im geschweißten Zustand ohne Nachbehandlung beträgt beim Laserschweißen 800–1.500 Stunden. Nach 500 bis 1.000 Stunden beginnen Risse am Schweißnahtübergang, daher ist dies für einen Dauerbetrieb von 3 bis 6 Monaten akzeptabel. Der empfohlene Ansatz ist Laserschweißen mit anschließender Spannungsfreigabe bei 540 Grad für 30 Minuten in einer Argonumgebung. Die Inkubationszeit verlängert sich auf 2.000-3.500 Stunden, ohne dass innerhalb von 2.000 Stunden eine Rissbildung auftritt. Im konventionellen Schweißzustand beträgt die Inkubationszeit beim Widerstandsschweißen nur 200–400 Stunden, und an den Kontaktstellen mit den Elektroden entstehen Risse, was für den Dauerbetrieb nicht geeignet ist. Für das Widerstandsschweißen und den anschließenden Spannungsabbau wird die Inkubationszeit auf 500–800 Stunden erhöht, was besser, aber immer noch kürzer als beim Laserschweißen ist. Beim Widerstandsschweißen mit Spannungsarmglühen und Beizen erhöht sich die Inkubationsdauer auf 600-1000 Stunden. Durch Beizen werden oberflächliche Eisenverunreinigungen entfernt.

Einfluss der NaOH-Konzentration und der Temperatur auf das Verhältnis der Inkubationszeit

The ratio of incubation durations between laser welding and resistance welding remains essentially stable over caustic environments. The laser-welded seals exhibit an incubation period of >5,000 hours at 30% NaOH and 115°C, while the resistance-welded seals display 1,000-2,000 hours, giving a life ratio of >3. Laserschweißen: 800–1.500 Stunden Widerstandsschweißen: 200–400 Stunden Verhältnis: 4 40 % NaOH, 125 Grad Laserschweißen bei 50 % NaOH, 140 Grad C ergibt 300–600 Stunden. Widerstandsschweißen ergibt 80–150 Stunden, ebenfalls ein Verhältnis von 4. Beim Laserschweißen mit 60 % NaOH und 155 Grad beträgt das Widerstandsschweißen 30–60 Stunden, beim Laserschweißen 100–250 Stunden, wiederum ein Verhältnis von 4:1. Das Verhältnis ist sehr stabil, was zeigt, dass das Laserschweißen unabhängig vom Schweregrad der Ätzwirkung zu einer grundlegenden Erhöhung der SCC-Beständigkeit führt.

Leitfaden zur Auswahl von Rohrendversiegelungsverfahren für den Einsatz in ätzenden Medien

Die folgende Tabelle zeigt die empfohlene Auswahl der Rohrenden-Versiegelungsmethode für Titanmantelheizgeräte im Betrieb mit siedendem Natriumhydroxid in Abhängigkeit von der gewünschten Lebensdauer und Laugenkonzentration.

Gewünschte Lebensdauer NaOH-Konzentration (%) Empfohlene VersiegelungsmethodeNach-Schweißbehandlung Inkubationszeit (Stunden) Erwartete SCC2 Jahre 30 Laserschweißen Spannungsarmglühen > 5.000
1–2 Jahre 40 Laserschweißen Spannungsarmglühen 2.000–3.500
6–12 Monate 40 Laserschweißen Keine 800–1.500
3-6 Monate 40 Widerstandsschweißen Spannungsarmglühen + Beizen 600-1.000
<3 months 40 Resistance welding Nil 200-400
Ingenieurskunst ist mehr als nur die Wahl einer Schweißmethode

Die Titansorte beeinflusst die SCC-Beständigkeit unabhängig vom Schweißverfahren. Grad 7 (Palladium-stabilisiert) weist für beide Schweißverfahren 3-5-mal längere Inkubationszeiten auf als Grad 2, was auf die Palladiumanreicherung an den Korngrenzen zurückzuführen ist. Die Wandstärke verhindert nicht die Entstehung von SCC, sondern verlangsamt ihr Wachstum. Eine 2,0-mm dicke Wand mit SCC-Rissen kann zwei bis drei Mal länger halten, bevor sie perforiert, als eine 1,2 mm dicke Wand. Die Form des Rohrendes ist wichtig. Die Spannungskonzentration wird durch einen sanften Übergang von der Dichtung zum Rohr verringert. Beim Laserschweißen entsteht ein gleichmäßigeres Schweißprofil mit weniger Hinterschneidungen. Die Inkubationsdauer wird durch 30-minütiges Spannungsarmglühen nach dem Schweißen bei 540 Grad deutlich verlängert, wodurch die Restspannung bei beiden Verfahren um 60–80 % reduziert wird.

Gut informierte Spezifikationserstellung

Alle Rohrenddichtungen müssen lasergeschweißt sein. Titanmantelheizer für 40 % NaOH-Siedebetrieb bei 125 Grad. Spannungsarmglühen nach dem Schweißen bei 540 Grad für 30 Minuten in einer Argonatmosphäre, gefolgt von Beizen in 20 % Salpetersäure + 3 % Flusssäure für 5 Minuten, um jegliche Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Wenn Laserschweißen nicht möglich ist, empfehlen wir Widerstandsschweißen mit Spannungsarmglühen und Beizen, nehmen Sie jedoch eine kürzere Lebensdauer in Kauf. Jede Schweißnaht mit offensichtlichen Verunreinigungen, Spritzern oder Hinterschnitten aussortieren. Überprüfen Sie während des Betriebs regelmäßig die Rohrenddichtungen mit Farbeindringmittel. Wenn Risse festgestellt werden, nehmen Sie das Heizgerät sofort außer Betrieb. Der Ingenieur verwendete Laserschweißen anstelle von Widerstandsschweißen und verlängerte so die SCC-Inkubationszeit um den Faktor 4, was eine gleichbleibende Leistung beim Betrieb mit siedendem 40 %igem Natriumhydroxid ermöglichte.