¿Bajo qué combinación específica de pH (11) y temperatura (150 grados) un calentador de titanio se vuelve susceptible al agrietamiento por corrosión bajo tensión cáustica?

Para un ingeniero de procesos que utiliza un calentador de inmersión de titanio en una solución alcalina de alta temperatura, como la concentración de sosa cáustica, digestores de pulpa y papel o refinación de alúmina, la combinación de pH 11 y temperatura de 150 grados proporciona una condición específica para el agrietamiento por corrosión bajo tensión cáustica (SCC). Generalmente, el titanio de grado 2 es resistente a soluciones cáusticas de hasta pH 12 a temperaturas inferiores a 120 grados. La película pasiva de TiO2 que protege la superficie es soluble en soluciones concentradas de hidróxido a pH 11 y 150 grados, lo que produce especies de titanato solubles (Ti(OH)6 2- o HTiO3 -). Las grietas comienzan en el contacto del óxido metálico-y se propagan transgranularmente bajo la influencia de la tensión de tracción aplicada o residual (por encima del 50% del límite elástico). Para SCC cáustico, la combinación clave es pH > 10,5 y temperatura mayor o igual a 130 grados con el peor agrietamiento a pH 11-12 y 150-200 grados. El SCC cáustico es poco frecuente por debajo de los 130 grados. El titanio permanece pasivo a todas las temperaturas por debajo de pH 10.

El mecanismo de fisuración por corrosión bajo tensión cáustica del titanio.
La disolución química de la película pasiva de Ti en soluciones cáusticas concentradas a alta temperatura: TiO 2 + 2OH - → TiO 3 2- + H 2 O (o TiO 2 + 2OH - → HTiO 3 - + OH - ) La velocidad de disolución depende exponencialmente de la temperatura y las concentraciones de [OH-]. En una superficie de metal desnudo (por ejemplo, en la punta de una grieta donde se ha roto el revestimiento pasivo), se produce la disolución anódica del titanio: Ti+4OH−→Ti(OH)4+4e-, seguida de la creación de titanatos solubles. El agrietamiento ocurre cuando se cumplen tres criterios simultáneamente: (1) un material vulnerable (el titanio de grado 2 es vulnerable en cáusticos por encima de 130 grados), (2) un entorno particular (pH mayor o igual a 10,5, temperatura mayor o igual a 130 grados) y (3) tensión de tracción adecuada (generalmente > 100-150 MPa). La velocidad de propagación de la fractura en la región activa suele ser de 0,1 a 1,0 mm/hora. Por tanto, el fracaso se produce rápidamente.

Cuantificación de la susceptibilidad al SCC cáustico con pH y temperatura
Temperatura (ºC)|pH|Susceptibilidad al SCC del titanio de grado 2|Tiempo hasta la falla a una tensión de 150 MPa (horas) |Plan de prevención de morfología de grietas
11 120 Ninguno > 10 000 Sin grietas Película pasiva estable 130 11 Bajo 5 000-10 000 agrietamiento superficial ocasional Quitar tensión o temperatura 140 11 Moderado 1 000-5 000 Grietas transgranulares Usar grado 7 o 12 150 11 Alto 100-1 000 Transgranular extenso agrietamiento No recomendado para Grado 2 160 11 Severo 10-100 Grado 2 no adecuado 150 10 Bajo > 10,000 Sin agrietamiento (pH demasiado bajo) Aceptable 150 12 Severo 10-100 Agrietamiento rápido Grado 2 inadecuado 150 11 Alto (región soldada) 50-500 Agrietamiento en HAZ Es necesario aliviar la tensión posterior a la soldadura
Calentadores de titanio: servicio cáustico: una guía basada en escenarios-
Condiciones de servicio severaspH Temperatura (C) Esfuerzo aplicado Idoneidad del titanioAcción recomendada
Lavado cáustico, diluido, baja concentración10 80 Bajo Excelente Estándar Grado 2
Tanque de almacenamiento, cáustico 12 40 Bajo Excelente (temperatura baja) Estándar de grado 2
Concentración cáustica (1er efecto) 11 120 Moderada Aceptable Grado 2 con inspección anual
Concentración cáustica (efecto final) 11 140 Moderado Marginal Mejora al grado 7 o 12
Concentración cáustica (efecto final) 11 150 Moderado Pobre Grado 2 no recomendado
Digestor de pulpa (licor blanco) 12 165 Alto (estrés térmico) Inadecuada Aleación de níquel (p. ej., aleación 600)
Refinería de alúmina (licor de Bayer) 13 150 Moderada No apropiadaAcero al carbono con revestimiento
Sulfuros (reductores) Cáustico 11 150 Moderado Muy pobre No apropiado para titanio
Mitigaciones de ingeniería del SCC cáustico
Si se debe utilizar un calentador de titanio en servicio cáustico a pH > 10,5 y temperatura > 130 grados, tres medidas de mitigación pueden reducir el peligro de SCC. La principal mitigación es reducir la tensión residual. El tratamiento térmico posterior a la soldadura (540 grados durante 1 hora) reduce las tensiones residuales en las áreas soldadas o dobladas. La tensión máxima de servicio debe limitarse a 100 MPa (aproximadamente el 36 % del rendimiento). La segunda mitigación se actualiza a titanio Grado 12 (Ti-0.3 Mo-0.8 Ni). El uso de molibdeno mejora la estabilidad de la película pasiva a altas temperaturas y proporciona al grado 12 una mejor resistencia al SCC cáustico. El grado 12 no muestra SCC a presiones de hasta 200 MPa a pH 11 y 150 grados. La tercera mitigación es reducir la temperatura entre 10 y 20 grados (por ejemplo, funcionando a 130 grados en lugar de 150 grados), lo que disminuye el riesgo de SCC cáustico en un factor de 10 a 100. Si las limitaciones del proceso impiden bajar la temperatura, se necesitan aleaciones de níquel o de grado 12.

Conclusión: Combinación de SCC cáustico crítico pH mayor o igual a 10,5 y T mayor o igual a 130 grados para Ti de grado 2
At the combination of pH 11 and temperature 150°C, grade 2 titanium is susceptible to caustic stress corrosion cracking. The essential values are pH > 10.5 and temperature ≥ 130°C. The most severe cracking occurs at pH 11-12 and 150-200°C. Caustic SCC is unusual below 130°C. Titanium is passive at temperatures below pH 10. Under the condition of pH 11 and 150°C, Grade 2 titanium with tensile stress >100 MPa se agrietarían en el rango de 100 a 1000 horas. El mecanismo es la disolución de la película pasiva en el hidróxido concentrado, seguida de la propagación de la grieta anódica. Actualice a titanio Grado 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) o reduzca la temperatura de funcionamiento a menos de 130 grados para servicio cáustico a más de 130 grados. Al solicitar un calentador de titanio para cualquier aplicación cáustica de alta temperatura, proporcionar el pH, la temperatura y las tensiones previstas al proveedor permite seleccionar el grado adecuado (Grado 2 frente a Grado 12) y las necesidades de tratamiento térmico para evitar fallas del SCC cáustico.