¿Por qué un calentador de vaina de titanio con un tratamiento térmico posterior a la soldadura a 600 grados en aire presenta una tasa de corrosión en grietas cuatro veces mayor en ácido oxálico al 5 % a 80 grados en comparación con un tubo soldado?
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La PWHT de los calentadores de vaina de titanio se realiza comúnmente entre 540 y 650 grados para reducir las tensiones residuales inducidas por la soldadura. Se genera una gruesa capa de óxido multi-en la superficie del titanio a 600 grados en el aire. Esta escala está compuesta de TiO2, Ti2O3 y TiO y el oxígeno está altamente enriquecido debajo de ella generando una capa de caso alfa-. Esta incrustación de óxido y la alfa-caso son químicamente inestables en ácido oxálico al 5% (H₂C₂O₄) a 80 grados. Las escamas se rompen y se desprenden en varias fisuras. El ácido oxálico penetra estas fisuras, concentrando especies hostiles y aumentando las tasas de corrosión local. El tubo as-soldado en condición de superficie decapada o electropulida y sin óxido PWHT tiene una película pasiva que es delgada, densa y resistente a la formación de grietas. Esto da como resultado un aumento de 4 veces en la tasa de corrosión por grietas en los tubos de aire-PWHT en comparación con los-tubos soldados.
Mecanismo de PWHT-aceleración inducida de la corrosión por grietas
El titanio se somete a oxidación parabólica en aire a 600 grados con una escala de 2-5 µm. El oxígeno se disuelve en el metal y forma una capa superficial de caja alfa-de 50 a 150 µm de profundidad. Esta capa es frágil y tiene un coeficiente de expansión térmica diferente al coeficiente del metal base. Donde se producen microfisuras enfriadas-en la báscula. La escala se disuelve de manera no-uniforme en ácido oxálico y revela el caso alfa-. La caja alfa-es anódica al metal subyacente y se instalan celdas galvánicas. Las escamas agrietadas y la alfa-case expuesta son fisuras naturales y aumentan la tasa de ataque de 3 a 5 veces la de una superficie limpia como-soldada. El crecimiento de la corrosión por grietas se produce principalmente en el contacto entre la caja alfa y el metal base.
Tasas cuantitativas de corrosión en grietas bajo diferentes condiciones de tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Se han utilizado pruebas controladas en ácido oxálico al 5 % a 80 grados durante 500 horas para determinar las tasas de corrosión en grietas para titanio de grado 2 en varias circunstancias posteriores a la soldadura. La tasa de corrosión de las fisuras en los extremos de las soldaduras fue de 0,08 a 0,15 mm/año para un tubo decapado y soldado sin PWHT y una superficie limpia con solo un ataque menor. La tasa para un tubo al que se le administró PWHT a 540 grados en el aire, lo que resultó en un ligero óxido de paja, fue de 0,20 a 0,35 mm por año. Esto fue el doble de la tasa para la condición-soldada y la escala parcialmente desconchada. Un tubo con PWHT a 600 grados en aire y un óxido azul o violeta tiene una velocidad de 0,35 a 0,65 mm/año, un aumento de cuatro veces respecto de la línea base soldada y un agrietamiento y desconchado severos. El tubo con PWHT a 650 grados en el aire, formando óxido gris o blanco, tiene una tasa de 0,60 a 1,20 mm por año, ocho veces mayor, con incrustaciones y desconchones graves. Por el contrario, el tubo con PWHT a 600 grados en una atmósfera inerte de argón no muestra óxido significativo y tiene una velocidad de sólo 0,06 a 0,12 mm/año sin aceleración.
Efecto de la concentración y la temperatura del ácido oxálico sobre los factores de aceleración
El factor de aceleración del aire-PWHT es aproximadamente constante en un rango de concentraciones y temperaturas de ácido oxálico. La velocidad de soldadura en ácido oxálico al 5% a 60 grados es de 0,05 a 0,10 mm/año y la velocidad de PWHT en aire a 600 grados es de 0,20 a 0,40 mm/año, un factor de aceleración de 4. La velocidad de soldadura al 5% en ácido oxálico al 5% y 80 grados es de 0,08 a 0,15 mm/año y la La tasa de PWHT del aire-es de 0,35 a 0,65 mm/año, un factor nuevamente de 4. La tasa de soldadura-es de 0,15 a 0,25 mm/año, mientras que la tasa de PWHT de aire-es de 0,60 a 1,00 mm/año con ácido oxálico al 10 % y 80 grados, todavía un factor de 4. La tasa de soldadura-es de 0,20-0,35 mm por año y la tasa de PWHT de aire es de 0,20-0,35 mm por año. 0,80-1,50 mm por año con ácido oxálico al 5%, condiciones de ebullición de 100 grados y aceleración 4x. El factor constante implica que el PWHT conduce a un estado superficial que fomenta la corrosividad intrínseca del ácido.
Directrices de gestión de PWHT para el ácido oxálico
La siguiente tabla proporciona recomendaciones para el tratamiento térmico posterior-a la soldadura (PWHT) para evitar la corrosión en grietas en ácido oxálico al 5 % a 80 grados en función de la temperatura PWHT necesaria y el control atmosférico disponible.
Temperatura PWHT requerida Entorno de servicio Atmósfera PWHT recomendada después-Tratamiento PWHT Tasa esperada de corrosión en grietas (mm/año)
Cualquier ácido oxálico al 5%, argón a 80 grados (también se acepta vacío) Ninguno 0,06–0,12
Any 5 % oxalic acid 80 °C Air Pickling (HNO 3 /HF, 10 min) 0.08–0.15 540–600°C Oxalic acid Air (unavoidable) Pickling + electropolishing 0.10-0.18 >600°C Oxalic acid Air Not salvageable-replace tube >0.35
No se requiere PWHT Ácido oxálico N/A Superficie decapada 0,08–0,15
Ingeniería PWHT: más allá del control de la atmósfera
La cantidad de daño al PWHT depende del grado de titanio. El grado 7 crea una incrustación de óxido comparable, pero el enriquecimiento del contacto del metal-incrustado con paladio ofrece cierta protección contra la corrosión por sub-incrustación, lo que reduce el factor de aceleración a 2-3 veces, en lugar de 4 veces. Hay un progreso moderado en el Grado 12. El espesor de la pared ofrece tolerancia a la corrosión. Una pared de 2,0 mm con una tasa de corrosión en grietas de 0,5 mm por año sobrevivirá 4 años. Una operación de decapado con ácido nítrico al 20 % más ácido fluorhídrico al 3 % durante 5 a 10 minutos puede eliminar la capa de carcasa alfa-y restaurar la resistencia a la corrosión hasta casi la condición en que estaba soldada. Si es inevitable el tratamiento térmico posterior a la soldadura en el aire, entonces el tubo debe decaparse después del tratamiento térmico.
Hacer una especificación informada
Para un calentador de funda de titanio para servicio en ácido oxálico al 5 % a 80 grados que requiere tratamiento térmico posterior-a la soldadura, especifique que el PWHT se realice en una atmósfera inerte (argón con oxígeno inferior a 50 ppm) o al vacío. Si es inevitable el PWHT a base de aire-, especifique un tratamiento de decapado posterior-PWHT con un mínimo de 20 % de ácido nítrico + 3 % de ácido fluorhídrico a 50 grados durante 10 minutos con un enjuague minucioso con agua desionizada. Cualquier tubo que muestre óxido azul, violeta o gris después del decapado debe desecharse. Los calentadores existentes que han sido tratados con aire-PWHT sin decapado adicional deben limpiarse químicamente con ácido cítrico al 10 % a 60 grados C durante 2 horas para eliminar las incrustaciones sueltas y probar una muestra en ácido oxálico para confirmar la velocidad de corrosión. El aumento de cuatro veces en la tasa de corrosión de grietas que ocurre con ácido oxálico al 5% a 80 grados se evita regulando el ambiente PWHT y proporcionando un post-tratamiento adecuado.
