¿Por qué un tratamiento térmico posterior-a la soldadura (recocido a 540 grados) no logra restaurar la resistencia total a la corrosión de una curvatura de calentador de titanio-trabajada en frío?

Cuando un ingeniero de procesos especifica un calentador de titanio doblado que requiere doblado en frío y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), es importante comprender las limitaciones del recocido. El recocido durante 1 hora a 540 grados alivió las tensiones residuales y restauró la ductilidad pero no la resistencia a la corrosión de la región de curvatura trabajada en frío-. La tasa de corrosión residual después del recocido es 1,5-2,5 veces la del metal base en comparación con 5 a 10 veces la de la condición doblada. Este daño permanente resulta de la flexión en frío que causa tres cambios irreversibles, a saber, agrietamiento superficial de la película pasiva, precipitación de hidruro de titanio en los límites de los granos e inclusiones de óxido de titanio que no se pueden eliminar mediante recocido. La temperatura de recocido de 540 grados es demasiado baja para recristalizar la estructura del grano (que requiere 650-700 grados) y demasiado baja para disolver hidruros o curar fracturas superficiales.

Los cambios irreversibles debidos a la flexión en frío
El extradós (curvatura exterior) de un tubo de titanio doblado en frío hasta un radio de 5 x OD se somete a una tensión del 10%. Esta cepa causa 3 tipos de daño: primero, la frágil película pasiva de TiO2 se fractura en una red de microfisuras con anchos de 1-}10 µm. En segundo lugar, la densidad de dislocaciones aumenta entre 100 y 1000 veces debido a la tensión, lo que crea ubicaciones preferidas para la absorción de hidrógeno y la precipitación de hidruros. En tercer lugar, los óxidos y los contaminantes de la superficie están incluidos en la superficie del titanio. El recocido a 540 grados reduce las tensiones residuales (entre un 60 y un 80 %) y reduce la densidad de dislocaciones (entre un 50 y un 70 %), pero no cura las grietas superficiales; las fisuras permanecen como agujeros físicos en el revestimiento pasivo. La temperatura de recocido es insuficiente para disolver el hidruro de titanio (> 600 grados) o recristalizar la estructura del grano (> 650 grados). Los óxidos incrustados en la superficie siguen siendo puntos de partida para la corrosión localizada.

Cuantificación de la recuperación de la tasa de corrosión tras la condición de recocido Radio de curvatura (×OD) Tasa de corrosión (mm/año) en NaCl al 10%, 80 grados Relación de tasa de corrosión (curvatura/padre) Tensión residual (MPa) Densidad de grietas en la superficie (grietas/cm)
Metal principal (sin doblar) - 0.02 1.0× < 20 0
Como-doblado en frío (sin recocido) 5× 0.15 7.5× 200-250 20-50
Curvado en frío + 540 grado de recocido (1 hora) 5× 0.04 2.0× 50-80 15-40 (sin curar)
Curvado en frío + 650 grado de recocido (recristalización) 5× 0.025 1.25× < 20 < 5 (curación parcial)
Doblado en frío + 540 grado + electropulido 5× 0.022 1.1× 50-80 0 (después del pulido)
Doblado en caliente (600 grados mientras se dobla, sin recocido post-doblado) 5× 0.025 1.25× 30-50 5-10
El recocido a 540 grados reduce la velocidad de corrosión de 0,15 mm/año a 0,04 mm/año, lo que corresponde a una recuperación del 73%, mientras que la curvatura aún se corroe al doble de la velocidad del metal base (0,04 frente a 0,02 mm/año). El recocido por recristalización a 650 grados (lo que puede deformar el tubo) o el electropulido para eliminar la capa superficial rota es necesario para restaurar completamente los niveles del metal original.

Gestión de la corrosión posterior a la curvatura:-un enfoque basado en escenarios
Entorno operativo y vida útil Radio de curvatura post-curvatura preferida Tasa de corrosión de curvatura prevista (× principal) Viabilidad
ambiente templado (agua dulce, bajo contenido de cloruros) 5+ años de vida útil 5× recocido a 540 grados solamente 1,5-2,0× Aceptable
Temperatura ambiente del agua de mar 3+ años de vida útil 5 × recocido a 540 grados + electropulido 1,0-1,2 × Requerido para confiabilidad
Agua de mar, 60-80 grados, 2+ años de vida útil 8× Recocido (540 grados) + electropulido 1,0-1,2× Obligatorio (no se recomienda doblar 5×)
Cloruro caliente (80 grados, 10 % NaCl), cualquier vida 8 × mínimo 540 grados recocido + electropulido + alivio de tensión 1,0-1,1 × Use doblado en caliente en lugar de frío + recocido
Servicio ácido (H₂SO₄ diluido, 50 grados) 5× Recocido solo a 540 grados 1,5-2,0× Aceptable si tiene una tasa de corrosión baja
Servicio crítico (farmacéutico, nuclear) > 8× Curvado en caliente + electropulido 1,0× No se permite doblado en frío
Cualquier servicio de gas no-corrosivoNada que tratarNo relevante La corrosión no es un problema
Alternativas de ingeniería al doblado y recocido en frío
El doblado en caliente (600 a 700 grados durante el doblado) produce poco trabajo en frío y agrietamiento de la superficie donde se requiere resistencia total a la corrosión en un doblado. El tubo formado en caliente no requiere recocido post-formado y tiene una tasa de corrosión dentro del 10-20% del metal base. Otra opción es utilizar un codo soldado en lugar de un tubo doblado. La soldadura puede inspeccionarse y tratarse térmicamente después de la soldadura y la zona impactada por el calor es más pequeña que la región dañada por la flexión en frío. Un tercer método consiste en aumentar el radio de curvatura a 8× OD o más, lo que reduce la deformación del extradós del 10% al 6,3%, evitando así el agrietamiento de la superficie y reduciendo la tasa de corrosión post-recocido a 1,2-1,5× del metal base sin electropulido.

Conclusión: El recocido a 540 grados restaura la ductilidad pero no la resistencia total a la corrosión
El tratamiento térmico posterior-a 540 grados durante 1 hora libera eficazmente las tensiones residuales y restaura la ductilidad de un codo calentador de titanio doblado en frío, pero no restaura la resistencia total a la corrosión. La velocidad de corrosión en la curvatura es entre 1,5 y 2,5 veces mayor que en el metal base debido a la persistencia de microfisuras superficiales en el revestimiento pasivo, óxidos incrustados y precipitados de hidruro de titanio que no se disuelven por debajo de 600 grados. Para condiciones difíciles (agua de mar a más de 50 grados, cloruros calientes, ácidos), se requieren procedimientos adicionales, como el electropulido para eliminar la capa superficial agrietada, el doblado en caliente en lugar de en frío o el uso de un radio de curvatura más alto, para obtener una resistencia a la corrosión comparable a la del metal base. Para servicio corrosivo, especifique un calentador de titanio doblado. Haga electropulir la región de curvatura después del recocido. Esto elimina cualquier grieta superficial y permite que la película pasiva se reforme uniformemente.