Warum weist eine Mantelheizung aus Titan mit einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen bei 600 Grad an der Luft eine vierfach höhere Spaltkorrosionsrate in 5 %iger Oxalsäure bei 80 Grad auf als ein so geschweißtes Rohr?
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Die PWHT von Titanmantelheizgeräten wird üblicherweise bei 540–650 Grad durchgeführt, um durch Schweißen verursachte Restspannungen zu reduzieren. Bei 600 Grad an der Luft entsteht auf der Titanoberfläche eine dicke, mehrschichtige Oxidschicht. Diese Schicht besteht aus TiO2, Ti2O3 und TiO und der Sauerstoff ist darunter stark angereichert, wodurch eine Alpha--Kastenschicht entsteht. Diese Oxidschicht und der Alpha{11}}-Fall sind in 5 %iger Oxalsäure (H₂C₂O₄) bei 80 Grad chemisch instabil. Die Schuppenschicht bricht und blättert in mehreren Rissen ab. Oxalsäure dringt in diese Risse ein, konzentriert feindliche Spezies und erhöht die lokale Korrosionsrate. Das geschweißte Rohr im gebeizten oder elektropolierten Oberflächenzustand und ohne PWHT-Oxid weist einen passiven Film auf, der dünn, dicht und resistent gegen Spaltbildung ist. Dies führt zu einem vierfachen Anstieg der Spaltkorrosionsrate in Luft-PWHT-Rohren im Vergleich zu-geschweißten Rohren.
Mechanismus der durch PWHT-induzierten Beschleunigung der Spaltkorrosion
Titan wird einer parabolischen Oxidation in Luft bei 600 Grad mit einer Skala von 2-5 µm unterzogen. Sauerstoff löst sich im Metall und bildet eine 50–150 µm tiefe Oberflächen-Alpha-Case-Schicht. Diese Schicht ist zerbrechlich und hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der vom Koeffizienten des Grundmetalls abweicht. Wo abgekühlte Mikro-risse im Zunder entstehen. Die Skala löst sich ungleichmäßig in Oxalsäure auf und zeigt den Alpha-{13}}Fall. Das Alpha--Gehäuse ist anodisch zum darunter liegenden Metall und es werden galvanische Zellen aufgebaut. Die rissige Zunderschicht und die freigelegte Alpha--Hülle sind natürliche Risse und erhöhen die Angriffsrate um das Drei- bis Fünffache im Vergleich zu einer sauberen, wie-geschweißten Oberfläche. Das Wachstum von Spaltkorrosion findet hauptsächlich am Kontakt zwischen dem Alpha-Gehäuse und dem Grundmetall statt.
Quantitative Spaltkorrosionsraten unter verschiedenen Bedingungen der Wärmebehandlung nach dem Schweißen.
Kontrollierte Tests in 5 %iger Oxalsäure bei 80 Grad über 500 Stunden wurden verwendet, um die Spaltkorrosionsraten für Titan der Güteklasse 2 unter verschiedenen Bedingungen nach dem Schweißen zu bestimmen. Die Spaltkorrosionsrate an den Schweißnähten betrug 0,08–0,15 mm/Jahr für ein geschweißtes, gebeiztes Rohr ohne PWHT und eine saubere Oberfläche mit nur geringem Angriff. Die Rate für ein Rohr, dem PWHT bei 540 Grad an der Luft ausgesetzt wurde, was zu einem leichten Strohoxid führte, betrug 0,20–0,35 mm pro Jahr. Dies war doppelt so hoch wie im geschweißten Zustand, und die Zunderschicht war teilweise abgeplatzt. Ein Rohr mit PWHT bei 600 Grad in Luft und einem blauen oder violetten Oxid weist eine Geschwindigkeit von 0,35–0,65 mm/Jahr auf, eine Vervierfachung gegenüber der geschweißten Basislinie und starke Zunderrisse und Abplatzungen. Das Rohr mit PWHT bei 650 Grad an der Luft bildet graues oder weißes Oxid und weist eine Rate von 0,60–1,20 mm pro Jahr auf, achtmal höher, mit starker Ablagerung und Abplatzung. Im Gegensatz dazu zeigt das Rohr mit PWHT bei 600 Grad in einer Argon-Inertatmosphäre kein nennenswertes Oxid und weist eine Geschwindigkeit von nur 0,06–0,12 mm/Jahr ohne Beschleunigung auf.
Einfluss der Oxalsäurekonzentration und -temperatur auf Beschleunigungsfaktoren
Der Beschleunigungsfaktor von Luft-PWHT ist über einen Bereich von Oxalsäurekonzentrationen und Temperaturen annähernd konstant. Die Schweißrate in 5 % Oxalsäure bei 60 Grad beträgt 0,05–0,10 mm/Jahr und die PWHT-Rate bei 600 Grad Luft beträgt 0,20–0,40 mm/Jahr, ein Beschleunigungsfaktor von 4. Die Schweißrate bei 5 % Oxalsäure und 80 Grad beträgt 0,08–0,15 mm/Jahr und Die PWHT-Rate der Luft- beträgt 0,35–0,65 mm/Jahr, was wiederum einem Faktor von 4 entspricht. Die Schweißrate beträgt 0,15–0,25 mm/Jahr, während die PWHT-Rate der Luft 0,60–1,00 mm/Jahr bei 10 % Oxalsäure und 80 Grad beträgt, was immer noch dem Faktor 4 entspricht 0,80–1,50 mm pro Jahr bei 5 % Oxalsäure, 100 Grad Siedebedingungen und 4-facher Beschleunigung. Der konstante Faktor impliziert, dass die PWHT zu einem Oberflächenzustand führt, der die intrinsische Korrosivität der Säure fördert.
PWHT-Managementrichtlinie für Oxalsäure
Die folgende Tabelle enthält Empfehlungen für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) zur Verhinderung von Spaltkorrosion in 5 % Oxalsäure bei 80 Grad als Funktion der erforderlichen PWHT-Temperatur und der verfügbaren atmosphärischen Kontrolle.
Erforderliche PWHT-Temperatur-Betriebsumgebung Empfohlene PWHT-Atmosphäre nach-PWHT-Behandlung Erwartete Spaltkorrosionsrate (mm/Jahr)
Beliebige 5 % Oxalsäure, 80 Grad Argon (Vakuum auch akzeptabel) Keine 0,06–0,12
Any 5 % oxalic acid 80 °C Air Pickling (HNO 3 /HF, 10 min) 0.08–0.15 540–600°C Oxalic acid Air (unavoidable) Pickling + electropolishing 0.10-0.18 >600°C Oxalic acid Air Not salvageable-replace tube >0.35
Kein PWHT erforderlich. Oxalsäure N/A. Eingelegte Oberfläche 0,08–0,15
PWHT Engineering – Jenseits der Atmosphärenkontrolle
Das Ausmaß der Schädigung des PWHT hängt von der Titansorte ab. Grad 7 erzeugt eine vergleichbare Oxidschicht, aber die Anreicherung des Zunder-Metallkontakts mit Palladium bietet einen gewissen Schutz gegen Unter-Korrosion und reduziert den Beschleunigungsfaktor auf das 2-3-fache statt auf das 4-fache. In Klasse 12 gibt es mäßige Fortschritte. Die Wandstärke bietet eine Korrosionstoleranz. Eine 2,0 mm dicke Wand mit einer Spaltkorrosionsrate von 0,5 mm pro Jahr überlebt 4 Jahre. Ein Beizvorgang mit 20 % Salpetersäure plus 3 % Flusssäure für 5–10 Minuten kann die Alpha-{18}}-Kastenschicht entfernen und die Korrosionsbeständigkeit nahezu auf den Zustand im Schweißzustand zurückführen. Wenn eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen an der Luft unvermeidbar ist, sollte das Rohr nach der Wärmebehandlung gebeizt werden.
Erstellen einer fundierten Spezifikation
Geben Sie für eine Titanmantelheizung für den Betrieb in 5 %iger Oxalsäure bei 80 Grad, die eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erfordert, an, dass die PWHT in einer inerten Atmosphäre (Argon mit Sauerstoff unter 50 ppm) oder im Vakuum durchgeführt werden muss. Wenn luftbasiertes PWHT unvermeidlich ist, spezifizieren Sie nach dem PWHT eine Beizbehandlung mit mindestens 20 % Salpetersäure + 3 % Flusssäure bei 50 Grad für 10 Minuten und gründlichem Spülen mit entionisiertem Wasser. Jedes Röhrchen, das nach dem Beizen blaues, violettes oder graues Oxid aufweist, sollte weggeworfen werden. Vorhandene Heizgeräte, die ohne weiteres Beizen einer Luft--PWHT unterzogen wurden, sollten 2 Stunden lang chemisch mit 10 %iger Zitronensäure bei 60 °C gereinigt werden, um lose Ablagerungen zu entfernen, und ein Probestück in Oxalsäure getestet werden, um die Korrosionsrate zu bestätigen. Der vierfache Anstieg der Spaltkorrosionsrate, der bei 5 %iger Oxalsäure bei 80 Grad auftritt, wird durch die Regulierung der PWHT-Umgebung und eine ordnungsgemäße Nachbehandlung verhindert.
