Wenn ein Titan-Heizrohr der Güteklasse 12 auf einen 3D-Radius gebogen und dann bei 540 Grad entlastet wird, wie verändert die Restdehnungsrückgewinnung im Außenradius sein Lochfraßpotential in 5 % NaCl bei 90 Grad?
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Titan der Güteklasse 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) wird aufgrund seiner überlegenen Lochfraßbeständigkeit für Heizrohre in chloridhaltigen Situationen verwendet. Wenn das Rohr auf einen engen Radius vom 3-fachen Rohrdurchmesser (3D) gebogen wird, entsteht am Außenradius eine plastische Zugspannung von 10 – 15 %. Diese Kaltverformung führt zu einer Restzugspannung, einer erhöhten Versetzungsdichte und kann zur Orientierung der Alpha--Phasenkörner führen. Das Lochfraßpotential ist das elektrochemische Potential, bei dem stabile Löcher entstehen. Das Lochfraßpotential nimmt mit zunehmender Kaltverformung ab. Durch 30-minütiges Spannungsarmglühen bei 540 Grad wird ein Teil der Spannung wiederhergestellt, die Eigenspannung verringert und eine gewisse Rekristallisation ermöglicht. Die Spannungsentlastung eines gebogenen Rohrs senkt das Lochfraßpotential im Vergleich zum ungebogenen Zustand nur um 50–100 mV, statt einer Senkung um 150–250 mV bei einem gebogenen Rohr ohne Spannungsentlastung.
Mechanismus der Wiederherstellung der Restspannung und Wiederherstellung des Lochfraßpotenzials
Plastische Verformung durch Biegen führt dazu, dass Versetzungen wachsen und sich an den Korngrenzen anhäufen, wodurch hochenergetische Stellen entstehen, die ideale Orte für die Bildung von Grübchen sind. Zugeigenspannungen am Außenradius destabilisieren die Passivschicht zusätzlich. Spannungsarmglühen bei 540 Grad ermöglicht das Aufsteigen und Vernichten von Versetzungen, wodurch die Versetzungsdichte um 60–80 % verringert wird. Durch dieses Verfahren wird auch die Zugeigenspannung von 150–250 MPa auf 30–60 MPa reduziert. Während des Glühens verteilen sich Molybdän und Nickel in der Güteklasse 12 neu, um die Oberfläche anzureichern und die Stabilität des Passivfilms zu verbessern. Der Passivfilm wird gleichmäßiger, die Anzahl der aktiven Stellen für die Pit-Initiierung wird reduziert und das Pitting-Potenzial wird wiederhergestellt.
Quantitatives Lochfraßpotenzial im Vergleich zu Biegung und Spannungsabbau
Das Lochfraßpotenzial von Titanrohren der Güteklasse 12 wurde bei kontrollierten Tests in 5 % NaCl bei 90 Grad für verschiedene Situationen ermittelt. Für ein ungebogenes, geglühtes Rohr (Basislinie) beträgt das Lochfraßpotential +0.45 bis +0.60 V gegenüber Ag/AgCl, nach 1.000 Stunden ist kein Lochfraß zu erkennen. Bei einem Rohr, das im gebogenen Zustand und ohne Spannungsabbau auf einen 3D-Radius gebogen ist, verringert sich das Lochfraßpotential auf +0.20 bis +0.35 V und die Lochfraßbildung beginnt nach 100–300 Stunden, mit einer Lochtiefe von 0,1–0,3 mm nach 500 Stunden. Bei einem Rohr, das auf einen 3D-Radius gebogen und 30 Minuten lang bei 540 Grad entspannt wird, erholt sich das Lochfraßpotential auf +0.35 bis +0.50 V, Lochfraß tritt nach 500–1.500 Stunden auf und die Lochtiefe beträgt 0,05–0,15 mm nach 500 Stunden. Für ein gebogenes Rohr mit 5D-Radius (sanfte Biegung) mit Spannungsentlastung beträgt das Lochfraßpotential +0.40 bis +0.55 V, sehr nahe an der ungebogenen Grundlinie. Das Rohr wurde auf einen 3D-Radius gebogen und die Spannung bei 480 Grad (nicht heiß genug) abgebaut. Eine teilweise Erholung wurde mit einem Lochfraßpotential von +0.25 bis +0.40 V beobachtet.
Auswirkung von Biegeradius und Spannungsentlastungstemperatur auf das Lochfraßpotential
Die Wiederherstellung des Lochfraßpotentials hängt nachweislich sowohl vom Biegeradius als auch von der Spannungsabbautemperatur ab. Die 3D-Biegung als gebogene Lochfraßpotentialvertiefung liegt 150-250 mV unter dem ungebogenen Wert. Der Stressabbau bei 480 Grad stellt 30–50 mV wieder her und hinterlässt eine Senkung von 120–200 mV. Der Spannungsabbau bei 540 Grad stellt 100 bis 150 mV wieder her und hinterlässt eine Senkung von 50 bis 100 mV. Die Entspannung bei 600 Grad stellt 150–200 mV wieder her, hinterlässt aber einen Abfall von 20–50 mV. Allerdings kann der Prozess zur Entstehung von Alpha-Fällen führen, wenn er nicht in einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird. Im Fall einer 5D-Biegung beträgt die Vertiefung im gebogenen Zustand nur 50–100 mV, und die Spannungsentlastung bei 540 Grad stellt das ungebogene Niveau vollständig wieder her. Bei einer 2D-Biegung (enger als 3D) beträgt die Depression im gebogenen Zustand 200–350 mV. Selbst eine Spannungsreduzierung bei 540 Grad stellt lediglich eine Erholung um 80–120 mV dar und hinterlässt eine große Depression.
Leitfaden zur Auswahl des Biegeradius und der Spannungsentlastung für Heißchlorid-Anwendungen der Güteklasse 12
Empfehlungen zum Biegen von Heizrohren aus Titan der Güteklasse 12 für den Einsatz in 5 % NaCl bei 90 Grad sind in der folgenden Tabelle als Funktion des Biegeradius, der Spannungsentlastungsbehandlung und der gewünschten Lochfraßbeständigkeit aufgeführt.
Biegeradius (R/D) As-Biegelochfraßpotential (V vs. Ag/AgCl) Spannungsabbautemperatur (Grad) Post-Entlastungslochfraßpotential (V vs. Ag/AgCl)Vorgeschlagene Anwendung
5D +0.30 bis +0.45 540 Grad +0.45 bis +0.60 Hohe Zuverlässigkeit
5D +0.30 bis +0.45 Keine +0.30 bis +0.45 Mäßiger Service
3D +0.20 bis +0.35 540 Grad +0.35 bis +0.50 Geeignet für Inspektion 3D +0.20 bis +0.35 Keine +0.20 bis +0.35 Nicht empfohlen für heißes Chlorid 2D +0.05 bis +0.20 540 Grad +0.15 bis +0.30 Vermeiden Sie nach Möglichkeit 2D +0.05 bis +0.20 600 Grad (Argon) +0.25 bis +0.40 Marginal mit Stressabbau-Behandlungstechnik der Stufe 7
Das Lochfraßpotenzial und die Spannungsfreisetzungserholung hängen von der Titansorte ab. Güteklasse 7 weist ein um 100 bis 200 mV höheres Grundlinien-Lochfraßpotential auf als Güteklasse 12, daher kann sogar ein dreidimensional gebogenes Rohr der Güteklasse 7 für viele Anwendungen geeignet sein (+ 0.30 bis + 0.45 V). Die Wandstärke hat keinen Einfluss auf das Lochfraßpotential, beeinflusst aber die Zeit für die Lochausbreitung; 95 % einer 2,0 mm dicken Wand verbleiben mit einer Grubentiefe von 0,1 mm. Die Umgebung ist wichtig für den Stressabbau. Beim Glühen an der Luft bei 540 Grad entsteht ein dünnes Oxid, das die Lochfraßbeständigkeit nicht beeinträchtigt. Das Glühen in Argon oder Vakuum wird jedoch bevorzugt. Die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Entspannen hat keinen wesentlichen Einfluss auf das Lochfraßpotential.
Entwickeln Sie eine fundierte Spezifikation
Geben Sie nach dem Biegen ein Spannungsarmglühen bei 540 Grad für 30 Minuten in einer Argonumgebung für ein Heizrohr aus Titan der Güteklasse 12 an, das für den Betrieb in 5 % NaCl bei 90 Grad eine 3D-Biegung erfordert. Führen Sie einen zyklischen Polarisationstest an einer Probe des gebogenen und spannungsentlasteten Rohrs durch, um das Lochfraßpotenzial zu bestätigen. Das Lochfraßpotential sollte innerhalb von 100 mV des ungebogenen Basislinienwerts von +0.45 bis +0.60V liegen. Für Biegungen, die enger als 3D sind, verwenden Sie Titan der Güteklasse 7 oder erhöhen Sie den Biegeradius auf 5D. Wenn eine Spannungsentlastung nicht möglich ist, nehmen Sie eine verkürzte Lebensdauer in Kauf und untersuchen Sie den gebogenen Bereich regelmäßig auf Lochfraß. Das Leerlaufpotential der Heizung sollte im Betrieb überwacht werden, wobei ein Potential unter +0.20 V gegenüber Ag/AgCl das Risiko von Lochfraß erhöht. Nach dem Biegen lässt die Ingenieurspannung bei 540 Grad nach, um das Lochfraßpotential des Titans der Güteklasse 12 wieder auf 50–100 mV des ungebogenen Zustands zu bringen, sodass das Titan im heißen Chloridbetrieb zuverlässig funktionieren kann.
