¿Cómo cambia el método de sellado del extremo del tubo (soldadura por resistencia versus soldadura por láser) para un calentador de vaina de titanio el tiempo de incubación para el agrietamiento por corrosión bajo tensión en NaOH al 40% en ebullición?

El agrietamiento cáustico puede provocar agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) en calentadores de titanio que hierven hidróxido de sodio (NaOH) al 40% a aproximadamente 125 grados. El sello del extremo del tubo donde el cable de resistencia ingresa a la funda es un lugar significativo de alta tensión residual. El método tradicional para sellar vainas de titanio es la soldadura por resistencia con un electrodo de carbono que crea una amplia zona afectada por el calor (HAZ) con una tensión de tracción residual considerable. El haz concentrado en la soldadura láser produce una ZAT muy estrecha, menor tensión residual y poca contaminación. El tiempo de incubación del SCC (tiempo previo al agrietamiento) es de 3 a 5 veces más largo para los sellos soldados con láser en comparación con los sellos soldados por resistencia.

Mecanismo de incubación de SCC en sellos soldados en solución cáustica.

El SCC en ebullición de NaOH al 40% requiere tres condiciones: alta tensión de tracción, microestructura susceptible y ambiente corrosivo. Las tensiones residuales para la soldadura por resistencia son mayores (150–250 MPa) que para la soldadura láser (50–100 MPa). La soldadura por resistencia también tiene una HAZ más grande con más defectos en los límites del grano y contaminación con hierro de los electrodos de carbono que sirven como sitios de inicio de SCC. La soldadura láser crea una ZAC limpia y estrecha con baja tensión residual y sin contaminación del electrodo, lo que retrasa el inicio de grietas. Una vez provocadas, las grietas se propagan transgranularmente a través del área de soldadura.

Tiempos de incubación cuantitativos de SCC para diferentes procesos de soldadura

Los períodos de incubación de SCC para diversas circunstancias de soldadura y post-tratamiento de sellos de extremos de tubos de titanio de grado 2 se establecieron mediante pruebas controladas en ebullición de NaOH al 40 % a 125 grados y presión atmosférica. El período de incubación del SCC en la condición-soldada sin post-tratamiento es de 800 a 1500 horas para la soldadura láser. Las grietas comenzarán en el pie de soldadura después de 500 a 1000 horas, por lo que esto es aceptable para una operación continua de 3 a 6 meses. El enfoque recomendado es la soldadura láser seguida de liberación de tensión a 540 grados durante 30 minutos en un ambiente de argón. El tiempo de incubación se extiende a 2000-3500 horas sin que se observen grietas dentro de las 2000 horas. En la condición de soldadura convencional, el período de incubación para la soldadura por resistencia es de sólo 200 a 400 horas, y las grietas comienzan en los sitios de contacto con los electrodos, lo que no es adecuado para un servicio continuo. Para la soldadura por resistencia y el posterior alivio de la tensión, el tiempo de incubación se aumenta a 500-800 horas, lo que es mejor pero aún menor que la soldadura por láser. En el caso de la soldadura por resistencia con alivio de tensiones y decapado, la duración de la incubación aumenta a 600-1000 horas. El decapado elimina la contaminación superficial por hierro.

Efecto de la concentración de NaOH y la temperatura sobre las proporciones del tiempo de incubación.

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. Soldadura por láser: 800 a 1500 horas Soldadura por resistencia: 200 a 400 horas Proporción: 4 40 % de NaOH, 125 grados La soldadura por láser al 50 % de NaOH, 140 grados C da entre 300 y 600 horas. La soldadura por resistencia produce entre 80 y 150 horas, también una proporción de 4. Para la soldadura por láser al 60 % de NaOH y 155 grados, la soldadura por resistencia produce entre 30 y 60 horas, la soldadura por láser, entre 100 y 250 horas, nuevamente una proporción de 4:1. La relación es muy estable, lo que demuestra que la soldadura láser proporciona un aumento fundamental en la resistencia al SCC independientemente de la severidad cáustica.

Guía para la selección de procesos de sellado de extremos de tubos para servicio cáustico.

La siguiente tabla muestra la selección del método recomendado de sellado de extremos de tubos para calentadores de vaina de titanio en servicio de hidróxido de sodio en ebullición, dependiendo de la vida útil deseada y la concentración cáustica.

Vida útil deseada Concentración de NaOH (%) Método de sellado recomendadoPost-Tratamiento de soldadura Tiempo de incubación (horas) SCC esperado 2 años 30 Soldadura láser Alivio de tensión > 5000
1 a 2 años 40 Soldadura por láser Alivio de tensiones 2000 a 3500
6 a 12 meses 40 Soldadura por láser Ninguno 800 a 1500
3-6 meses 40 Soldadura por resistencia Alivio de tensiones + decapado 600-1.000
<3 months 40 Resistance welding Nil 200-400
Ingeniería más que elegir el método de soldadura

El grado de titanio influye en la resistencia SCC independientemente del procedimiento de soldadura. El grado 7 (paladio-estabilizado) demuestra períodos de incubación 3-5 veces más largos que el grado 2 para ambos procesos de soldadura, debido al enriquecimiento de paladio en los límites de los granos. El espesor de la pared no impide que se inicie el SCC, pero sí ralentiza su crecimiento. Una pared de 2,0-mm con grietas SCC puede durar entre 2 y 3 veces más antes de perforarse que una pared de 1,2 mm. La forma del extremo del tubo es importante; la concentración de tensiones se reduce mediante una transición suave desde el sello al tubo. La soldadura láser crea un perfil de soldadura más uniforme con menos socavados. La duración de la incubación aumenta considerablemente mediante el recocido de alivio de tensión posterior a la soldadura a 540 grados durante 30 minutos, lo que reduce la tensión residual en un 60-80% para ambos procedimientos.

Especificaciones bien informadas

Todos los sellos de los extremos de los tubos deben soldarse con láser. Calentador de vaina de titanio para servicio de ebullición de NaOH al 40% a 125 grados. Alivio de la tensión posterior a la soldadura a 540 grados durante 30 minutos en una atmósfera de argón, seguido de decapado en ácido nítrico al 20 % + 3 % de ácido fluorhídrico durante 5 minutos para eliminar cualquier contaminación de la superficie. Si no es posible realizar la soldadura por láser, indique la soldadura por resistencia con alivio de tensión y decapado, pero acepte una vida útil más corta. Rechace cualquier soldadura con contaminantes evidentes, salpicaduras o socavados. Durante la operación, revise periódicamente los sellos de los extremos del tubo usando tinte penetrante. Si encuentra grietas, retire el calentador de servicio inmediatamente. El ingeniero utilizó soldadura láser en lugar de soldadura por resistencia y, por lo tanto, aumentó el período de incubación de SCC en un factor de 4, lo que permitió un rendimiento constante en la operación de ebullición de hidróxido de sodio al 40 %.