チタン グレード 5 加熱管の残留応力レベル (焼き鈍しまたは溶接のまま) は、メタノール HCl サービスにおける応力腐食割れにどのように影響しますか?

メタノール性 HCl (メタノール中の塩化水素) は、無水酸条件を必要とする反応用の医薬品および特殊化学薬品の合成に使用されます。このサービスで使用されるチタン グレード 5 (Ti-6Al-4V) 製の加熱管は、特に溶接や成形による残留応力が存在する場合、応力腐食割れ (SCC) が発生しやすくなります。メタノール性 HCl の分解は粒内であり、室温でも急速に起こりますが、塩化物水性 SCC は粒界です。残留応力を軽減するための焼きなましにより、耐 SCC 性が大幅に向上します。 SCC 開始までの時間に対する残留応力レベルの影響が定量化され、メタノール性 HCl サービスにおけるグレード 5 の要件が確立されます。

メタノール性 HCl における SCC メカニズム
チタンは、塩化物イオンを含むメタノール溶液中での SCC の膜破壊メカニズムに対して脆弱です。{0}メタノールの誘電率は低く、溶媒和力が不十分なため、塩化物イオンは十分に保護されません。それらは、引張張力がかかる場所の不動態皮膜を激しく攻撃します。一度始まった亀裂は急速に広がり、無水環境では再不動態化が防止されます。水分含有量が1〜2%を超えるとSCCが抑制されます。いくつかの活動には無水条件が必要です。

グレード 5 は 2 つの - 相微細構造 (アルファ + ベータ) を特徴とし、相間の電気的変化につながります。残留引張応力により、アルファ-界面に沿って、またはアルファ粒子を介して亀裂が開きます。グレード 5 の場合、メタノール中の 0.1% HCl における SCC の応力閾値は約 150 ～ 200 MPa です。

グレード 5 部品の残留応力レベル
溶接されたグレード 5 のチューブでは残留応力が大きくなります。{0}

GTAW (ガスタングステンアーク溶接) 溶接部: 200 ～ 400 MPa の引張残留応力 (通常、局所的に降伏強度を超える)

熱影響部 (HAZ): 150-300 MPa

チューブ曲げ（冷間曲げ、張力緩和）：100～250MPa

引抜チューブ（ストレスリリーフなし）：100～200MPa、長手方向

アニーリング 700 ～ 750 度真空またはアルゴン中で C で 1 ～ 2 時間保持すると、コンポーネント全体の残留応力が 50 MPa 未満になります。参考までに、グレード 5 の降伏強度は 830 ～ 900 MPa (焼きなまし) または 900 ～ 950 MPa (時効) であるため、50 MPa は降伏の 5 ～ 6% にすぎません。

SCC 開始時間 (メタノール性 HCl)
グレード 5 U- 曲げ試験片 (ASTM G30) を、25 度の無水メタノール中の 1% HCl 中でテスト:

溶接状態 (溶接止端部の残留応力 250 ～ 350 MPa): 2 ～ 10 時間以内に亀裂が発生します。試験片は 24 ～ 72 時間で破壊されました。最も脆弱な領域は溶接部です。

- 曲げたまま（冷間成形、応力除去なし、残留応力 150 ～ 250 MPa）: 10 ～ 50 時間後に亀裂が発生します。 100 ～ 500 時間で破損。

焼きなまし（残留応力）<50 MPa): No cracks seen after 1,000 hours in U-bend testing (residual stress removed, bending stress persists). Applied stress (internal pressure, thermal expansion) may still generate SCC during actual service , however the onset time is extended to 500-1,000+ hours

アニーリング + 圧縮表面処理 (ショット ピーニング) : 圧縮残留応力 (負) により、破壊の形成を完全に防止できます。. 2、000 時間、亀裂は発生しません。

他の特性に対するアニーリングの影響 [12]
アニーリングにより、グレード 5 の強度が低下します: 降伏強度 900 ～ 950 MPa (時効) が 830 ～ 900 MPa (アニーリング) に低下します。この低減は、動作応力が中程度であるため (一般に内部圧力が低いため)、ヒーター チューブの用途では許容できる場合が多いです。<20 bar, which corresponds to hoop stress <50 MPa). The benefit of annealing (removal of SCC risk) far overweighs the small loss in strength.

メタノール性 HCl におけるグレード 5 のアプリケーション マトリックス
コンポーネントの状態 残留応力レベル (MPa) SCC 開始時間 (0.1% HCl/MeOH、25 度) サービスに適しています
-溶接されているため、応力緩和はありません 250-400 2-10 時間いいえ
-曲がっている（冷たい） ストレス軽減なし 10～50 時間 150～250 なし
-引抜チューブ 100-200 50-200 時間なし（非常に短いバッチの限界）
アニール済み (700 ～ 750 度、1 ～ 2 時間)<50 500-1,000+ hrsYes (monitoring)
アニーリング + ショットピーニング 圧縮 > 2,000 時間 はい (重要なサービスに推奨)
溶体化処理 (高強度) 時効処理 変化あり (焼入れによる) 不良 (残留応力が高い) 推奨しない
ヒーター構造に関する実践的な提案
メタノール性 HCl サービスにおけるチタン グレード 5 ヒーター チューブの場合:

すべての溶接アセンブリは溶接後焼きなましを行う必要があります。アニーリング温度は700〜750度、保持時間は1〜2時間/厚さ25 mm、酸化を避けるためにアルゴン雰囲気です。

縦方向の溶接のないチューブ（シームレス）を使用してください。冷間引き抜きシームレスチューブは依然として焼きなましする必要があります。

冷間曲げは行わないでください。曲げまたは熱間曲げ (600 ～ 700 度) の前に、焼きなました状態のチューブを使用してください。

化学的に可能な場合は手順に水を追加します。. -0.5-1.0% の水分含有量により、SCC 耐性が 10～100 倍向上します。

溶接部や曲げ部を染料浸透剤または渦流で毎年検査してください。

The residual stress level is the primary governing element of SCC resistance in Grade 5 titanium heating tubes for methanolic HCl application. As-welded components with residual stresses >200 MPa の亀裂は数時間から数日で発生します。焼きなましにより残留応力が 50 MPa 未満に減少し、開始時間が 500-1,000+ 時間に増加し、定期的な検査による実用的なサービスが可能になります。無限の寿命を必要とする重要な用途では、チューブ表面にショットピーニングまたはレーザーショックピーニングを施し、圧縮残留応力を導入する必要があります。 • グレード 5: メタノール性 HCl 用ヒーター: 「焼きなましおよび応力除去、残留応力」<50 MPa per ASTM E837" "seamless tubing, hot bent." Do not accept as-welded or cold-bent components, regardless of wall thickness, because SCC will lead to quick failure irrespective of the corrosion allowance. If SCC risk is not tolerable, consider substitution by Grade 7 or Grade 12 which has better resistance to methanolic SCC or add water to the process to suppress cracking.