Cuando se utiliza un tubo calefactor de titanio en un evaporador enfriador de salmuera (sumergido en salmuera CaCl₂ al 20 % en ciclos de bomba de calor de -20 grados a 40 grados), ¿cómo influye el espesor de la pared en el riesgo de fragilidad y fractura a baja temperatura?

La compensación básica-en el diseño de calentadores de titanio para el servicio de salmuera bajo cero
Los evaporadores enfriadores de salmuera utilizan salmuera de cloruro de calcio (CaCl2) al 20 % como refrigerante secundario y funcionan a -20 grados (evaporación) y 40 grados (condensación/descongelación). En ocasiones se colocan tubos calefactores de titanio para descongelar o mantener la temperatura. El titanio tiene una temperatura de transición de dúctil a frágil por debajo de cero. El titanio sigue siendo dúctil hasta -250 grados, a diferencia del acero al carbono; sin embargo, las muescas, la tensión residual o el hidrógeno pueden provocar una fractura frágil por debajo de -10 grados. El espesor de la pared afecta la condición de tensión en la punta de la muesca y la velocidad de enfriamiento durante el ciclo térmico. El análisis estima el riesgo de fractura por fragilidad a baja temperatura en los tubos calefactores de titanio que oscilan entre -20 grados y 40 grados, y calcula el espesor de la pared que minimiza este riesgo.

Efecto sobre la integridad mecánica: transición de dúctil a frágil en titanio
El titanio de grado 2 tiene una estructura cristalina hexagonal compacta (HCP). Los metales HCP, a diferencia de los aceros BCC, no exhiben una temperatura de transición aguda de dúctil-a-frágil. El titanio muestra una energía de impacto Charpy superior a 50 J hasta -50 grados. Sin embargo, la tenacidad a la fractura cae a temperaturas bajo-cero, mientras que hay una muesca aguda (por ejemplo, punta de soldadura, rayado o sitio de picadura). La tenacidad a la fractura por deformación plana K_IC del titanio de grado 2 a 20 grados es de aproximadamente 100 MPa√m y a -20 grados disminuye a 70–80 MPa√m. Si tiene una muesca combinada con tensión de tracción sobrante (por flexión o soldadura), puede sufrir una fractura frágil. Todavía bastante duro.

El espesor de la pared influye en la triaxialidad de la tensión en la punta de una entalla. Cuanto mayor es el espesor, más fuerte es la restricción, es decir, la triaxialidad del estado de tensión (cerca de la deformación plana) es mayor, lo que da como resultado una reducción de la tenacidad aparente a la fractura. Se observó que una pared de 2,0 mm tiene una restricción mayor que una pared de 1,0 mm y, por lo tanto, es más propensa a fracturarse por fragilidad a bajas temperaturas. Los cálculos basados ​​en la mecánica de fractura indican que el tamaño de falla crítico para una fractura frágil a -20 grados para una pared de 1,0 mm es de alrededor de 2 mm. Para paredes de 2,0 mm es de 1,5 mm. La pared más gruesa es más susceptible a fallas menores.

Influencia en el rendimiento térmico: tasa de enfriamiento y estrés térmico
Durante la transición de 40 grados a -20 grados, la funda de titanio y los componentes interiores (MgO, cable de resistencia) se comprimen a diferentes velocidades, creando tensión térmica. Estrés térmico $\\sigma_{thermal}=E*\\alpha*\\Delta T=105 GPa * 8.6e-6 * 60=54 MPa, muy por debajo del rendimiento. Sin embargo, en el funcionamiento en frío de la calefacción, el calentamiento eléctrico adicional provoca la formación de un gradiente de temperatura a través de la pared. La pared más gruesa (2,0 mm) muestra un gradiente mayor (ΔT_cond=2.5 grados a 2,0 W/cm²) que la pared más delgada (1,2 grados). El gradiente también introduce tensión de flexión en la superficie interior.

Síntesis de compensación-: espesor de la pared y riesgo de fractura por baja-temperatura
Espesor de pared (mm) Dureza a la fractura KIC a -20 grados (MPa√m) Tamaño de falla crítica para la fractura (mm) Esfuerzo residual debido a la flexión (MPa) Riesgos de fractura a baja temperatura
0,8 mm 80 (esfuerzo plano dominante) 2,5 mm 50 MPa Bajo 1,0 mm 78 (modo mixto) 2,2 mm 55 MPa Bajo 1,2 mm 75 (modo mixto) 1,9 mm 60 MPa Bajo-Moderado
1,5 mm 72 (deformación plana aproximándose) 1,6 mm 65 MPa Moderada 2,0 mm 68 (deformación plana) 1,3 mm 75 MPa Moderada-Alta
Las paredes más gruesas son menos resistentes-a las fracturas (mayor restricción) y tienen fallas críticas de menor tamaño, por lo que son más propensas a sufrir fracturas frágiles debido a defectos menores.

Ingeniería más allá del muro: aleaciones y control de defectos
Dado que el riesgo de fractura depende del tamaño y las restricciones de la falla, reducir las fallas es más efectivo que cambiar el espesor de la pared. El electropulido de la superficie de titanio (Ra menor o igual a 0,2 µm) elimina muescas afiladas y disminuye la concentración de tensiones. Las áreas más típicas de iniciación de fracturas se eliminan asegurándose de que las soldaduras estén rectificadas de manera suave (sin socavados). Aumentar el titanio a grado 1 (menos hierro y oxígeno, más ductilidad) mejora la tenacidad a baja temperatura. El grado 1 tiene un K_IC de 90 a 100 MPa√m a -20 grados, por lo que es básicamente inmune a la fractura frágil incluso con un espesor de pared de 2,0 mm. Para servicio a muy baja temperatura, se prefiere el Grado 1.

Conclusión: Pared delgada (1,0 – 1,2 mm) favorable para el servicio de salmuera Sub-Zero
El peligro de fragilidad y fractura a baja-temperatura del tubo calefactor de titanio en salmuera de CaCl2 al 20 % con un ciclo de -20 grados y 40 grados es mayor cuando el espesor de la pared es más delgado (1,0 a 1,2 mm) que cuando es más grueso (1,8 a 2,0 mm). Las paredes más gruesas tienen una mayor triaxialidad de tensión (restricción), lo que disminuye la tenacidad aparente a la fractura y reduce el tamaño crítico de la falla para la fractura frágil. A -20 grados una pared de 2,0 mm puede romperse con un defecto de 1,3 mm, mientras que una pared de 1,0 mm puede soportar un defecto de 2,2 mm. La especificación recomendada es titanio de grado 1 o grado 2 con un espesor de pared de 1,0 a 1,2 mm, acabado superficial electropulido y soldaduras esmeriladas lisas. Se deben evitar las paredes más gruesas (mayores o iguales a 1,5 mm), excepto para actualizar a titanio de grado 1. Proporcione al fabricante la temperatura mínima de servicio y el tamaño previsto de la falla (por ejemplo, rayones, socavaduras de soldadura). El diluyente es mejor para la resistencia a la fractura en el servicio de enfriadores de salmuera con ciclos bajo cero.