Zašto toplinska obrada nakon-zavarivanja (žarenje na 540 stupnjeva) ne uspijeva vratiti potpunu otpornost na koroziju hladno-obrađenog titanijskog grijača?

Kada procesni inženjer specificira grijač od savijenog titana koji zahtijeva hladno savijanje i toplinsku obradu nakon zavarivanja (PWHT), važno je razumjeti ograničenja žarenja. Žarenje tijekom 1 sata na 540 stupnjeva smanjilo je zaostala naprezanja i obnovilo duktilnost, ali ne i otpornost na koroziju hladno-obrađenog područja savijanja. Preostala stopa korozije nakon žarenja je 1,5-2,5 puta veća od stope osnovnog metala u usporedbi s 5-10 puta većom u savijenom stanju. Ovo trajno oštećenje proizlazi iz hladnog savijanja koje uzrokuje tri nepovratne promjene, naime površinsko pucanje pasivnog filma, taloženje titan hidrida na granicama zrna i inkluzije titan oksida koje se ne mogu ukloniti žarenjem. Temperatura žarenja od 540 stupnjeva je preniska za rekristalizaciju zrnate strukture (što zahtijeva 650-700 stupnjeva) i preniska za otapanje hidrida ili liječenje površinskih lomova.

Nepovratne promjene uslijed hladnog savijanja
Extrados (vanjski zavoj) titanijske cijevi savijene hladno na radijus od 5 x OD stavlja se na 10% napetosti. Ova deformacija uzrokuje 3 vrste oštećenja: Prvo, krti TiO2 pasivni film puca u mrežu mikropukotina širine 1-10 µm. Drugo, gustoća dislokacija raste 100-1000 puta zbog naprezanja, što stvara preferirana mjesta za apsorpciju vodika i taloženje hidrida. Treće, površinski oksidi i površinski zagađivači uključeni su u površinu titana. Žarenje na 540 stupnjeva smanjuje zaostala naprezanja (za 60-80%) i smanjuje gustoću dislokacija (za 50-70%), ali ne liječi površinske pukotine - pukotine ostaju kao fizičke rupe u pasivnom premazu. Temperatura žarenja je nedovoljna za otapanje titanijevog hidrida (> 600 stupnjeva) ili rekristalizaciju strukture zrna (> 650 stupnjeva). Ugrađeni površinski oksidi ostaju početna mjesta za lokaliziranu koroziju.

Kvantifikacija oporavka brzine korozije nakon uvjeta žarenja Radijus savijanja (×OD) Brzina korozije (mm/godina) u 10% NaCl, omjer brzine korozije od 80 stupnjeva (savijanje/roditelj) Preostalo naprezanje (MPa) Gustoća površinskih pukotina (pukotine/cm)
Osnovni metal (nesavijeni) - 0.02 1.0× < 20 0
Kao-hladno savijeno (bez žarenja) 5× 0.15 7.5× 200-250 20-50
Hladno savijeno + 540 stupanj žarenja (1 sat) 5× 0.04 2.0× 50-80 15-40 (nezacijeljeno)
Hladno savijeno žarenje + 650 stupnjeva (rekristalizacija) 5× 0.025 1.25× < 20 < 5 (djelomično zacjeljivanje)
Hladno savijeno + 540 stupnjeva + elektropoliranje 5× 0.022 1.1× 50-80 0 (nakon poliranja)
Vruće savijeno (600 stupnjeva tijekom savijanja, bez naknadnog-žarenja savijanjem) 5× 0.025 1.25× 30-50 5-10
Žarenje na 540 stupnjeva smanjuje stopu korozije s 0,15 mm/godišnje na 0,04 mm/godišnje, što odgovara oporavku od 73%, dok savijanje i dalje korodira dvostruko većom brzinom od osnovnog metala (0,04 prema 0,02 mm/godišnje). Rekristalizacijsko žarenje na 650 stupnjeva (što može deformirati cijev) ili elektropoliranje za uklanjanje slomljenog površinskog sloja potrebno je za potpuno vraćanje na razinu osnovnog metala.

Upravljanje korozijom nakon-savijanja: pristup-temeljen na scenariju
Radno okruženje i životni vijek Preferirani radijus savijanja stup-tretman savijanja Predviđena stopa korozije savijanja (× roditelj) Održivost
blago okruženje (slatka voda, malo klorida) 5+ godina životnog vijeka 5 × 540 stupnjeva samo žarenje 1,5-2,0 × prihvatljivo
Ambijentalna temperatura morske vode 3+ godina životni vijek 5× 540 stupnjeva žarenje + elektropoliranje 1,0-1,2× Potrebno za pouzdanost
Morska voda, 60-80 stupnjeva, 2+ godina trajanja 8× žarenje (540 stupnjeva) + elektropoliranje 1.0-1.2× obavezno (5× savijanje se ne preporučuje)
Vrući klorid (80 stupnjeva, 10% NaCl), bilo koji vijek trajanja 8× minimalno 540 stupnjeva žarenja + elektropoliranje + smanjenje naprezanja 1,0-1,1× Koristite vruće savijanje umjesto hladnog + žarenja
Kiselinski rad (razrijeđena H₂SO₄, 50 stupnjeva) 5× Žariti samo na 540 stupnjeva 1,5-2,0× Prihvatljivo ako je stopa korozije niska
Kritična usluga (farmaceutska, nuklearna) > 8× Vruće savijanje + elektropoliranje 1,0× Nije dopušteno hladno savijanje
Bilo koja usluga ne{0}}korozivnog plina Ništa za tretiranje Nije relevantno Korozija nije problem
Inženjerske alternative hladnom savijanju i žarenju
Vruće savijanje (600 do 700 stupnjeva tijekom savijanja) proizvodi malo hladnog rada i površinskih pukotina gdje je potrebna puna otpornost na koroziju na savijanju. Vruće oblikovana cijev ne zahtijeva post-žarenje i ima brzinu korozije unutar 10-20% od osnovnog metala. Druga mogućnost je korištenje zavarenog koljenastog priključka umjesto savijene cijevi. Zavar se može pregledati i toplinski obraditi nakon zavarivanja, a zona utjecaja topline manja je od područja oštećenog hladnim savijanjem. Treća metoda je povećanje radijusa savijanja na 8× OD ili više, što smanjuje ekstrados naprezanje sa 10% na 6,3%, čime se izbjegava površinsko pucanje i smanjuje stopa korozije nakon žarenja na 1,2-1,5× osnovni metal bez elektropoliranja.

Zaključak: žarenje na 540 stupnjeva vraća duktilnost, ali ne i potpunu otpornost na koroziju
Toplinska obrada nakon-zavarivanja na 540 stupnjeva u trajanju od 1 sata učinkovito oslobađa zaostala naprezanja i vraća duktilnost hladno savijenom grijačom od titana, ali ne vraća punu otpornost na koroziju. Stopa korozije u zavoju je 1,5-2,5 puta veća nego u osnovnom metalu zbog postojanosti površinskih mikropukotina u pasivnom premazu, ugrađenih oksida i taloga titanijevog hidrida koji se ne otapaju ispod 600 stupnjeva. Za teške uvjete (morska voda iznad 50 stupnjeva, vrući kloridi, kiseline) potrebni su dodatni postupci, kao što je elektropoliranje za uklanjanje napuknutog površinskog sloja, vruće savijanje umjesto hladnog savijanja ili upotreba većeg radijusa savijanja, kako bi se dobila otpornost na koroziju usporediva s osnovnim metalom. Za korozivnu uslugu odredite savijeni grijač od titana. Dajte područje savijanja elektropolirati nakon žarenja. Ovo uklanja sve površinske pukotine i omogućuje ravnomjerno preoblikovanje pasivnog filma.