チタン加熱管の溶接継ぎ目の品質は、高温の塩化物媒体中での応力腐食割れに対する耐性にどのような影響を及ぼしますか?

チタンは、数少ない条件の 1 つである高温の塩化物媒体では応力腐食割れ (SCC) を起こしやすいです。熱塩化物媒体は一般に、60 度を超え、塩化物含有量が 1,000 ppm を超えるものと定義されます。 SCC は、孔食や一般的な腐食とは異なり、目に見える兆候はほとんどなく、チューブ壁を通して急速に広がります。チタン製加熱管の溶接シームは、SCC が発生しやすい部位です。溶接プロセスによって導入される残留引張応力、および熱影響部 (HAZ) の微細構造の変化により、材料の亀裂の閾値応力が大幅に変化します。熱塩化物サービス用のヒーターを選択するには、色、溶け込み、酸化レベル、溶接後処理などの特定の溶接シームの品質特性が耐 SCC に及ぼす影響を理解することが重要です。-

チタン溶接部における冶金学的 SCC 発生メカニズム

チタンを空気中で溶接すると、表面の汚染を示す特徴的な色の順序が生じます。銀色または淡い麦わら色は、酸化が少なく、十分な保護を意味します。青、紫、または灰色の色は、酸素の吸収が多すぎることを示しており、その結果、アルファ-層が脆くなっています。この酸素富化層はより硬いですが、靭性は大幅に低く、重要なことに、塩化物中での SCC 形成の閾値応力が低くなります。 HAZ 内の急速な熱サイクルにより、商業的に純粋なグレードの針状アルファ-プライムマルテンサイトが生成されます。これは、等軸母材よりも水素を吸収しやすいです。機械的駆動力は多くの場合、溶接止端部の残留引張応力であり、これは降伏強度 (グレード 2 では 240-340 MPa) 程度です。高温の塩化物溶液が溶接領域に接触すると、酸化表面への塩化物イオンの吸着が発生し、溶接のリップルやアンダーカットでの応力集中により微小亀裂が発生します。これらの亀裂は、最大残留応力の経路に沿って HAZ を通って粒内に伝播します。

溶接品質の定量的パラメータと SCC のしきい値

沸騰した塩化マグネシウム（155 度、42% MgCl2）中であらかじめ亀裂を入れた圧縮引張試験片を使用した管理された実験室試験により、次の定量的関係が実証されました。{0}

溶接部の酸化レベル: 銀/わら溶接部の応力強度 K ISCC の閾値は約 55 MPa√m です。青色の溶接部は、30 ～ 35 MPa√m という低い K_ISCC を示します。灰色または白色の溶接部 (重度の酸化) では、K_ISCC は 15 MPa√m 未満であり、適用される荷重が低いと亀裂が急速に成長します。

溶接補強の高さ (過充填貫通): チューブの外径より上の補強が 0.5 mm ごとに、局所応力集中係数が 2 倍になります。補強材が 0.2 mm 未満の溶接の場合、SCC の発生時間は 2000 時間を超えます。 1.0 mm を超える補強により、開始時間が 200 時間未満に短縮されます。

溶接アンダーカットの深さ: アンダーカットが 0.1 mm の場合、局所的な断面積は約 5% 減少しますが、局所的な応力は 15 ～ 20% 増加します。熱塩化物サービス: 0.3 mm を超えるアンダーカットは受け入れられません。

-溶接後熱処理（PWHT）: 540～650 度で 30 分間応力除去すると、溶接部の残留ひずみが 60～75% 減少し、SCC が発生するまでの時間が 5～10 倍長くなります。

溶接品質選定ガイドに基づく適用

次の表は、塩化物サービスの厳しさと安全基準に関連してチタン ヒーターの溶接品質を確立するための選択枠組みを示しています。

熱塩化物サービスの状態と信頼性の優先事項必須溶接品質要件基本的根拠と SCC リスクの修正
塩化物 1,000-5,000 ppm 60 ～ 80 度 清浄な溶液 非循環操作 銀色の麦わら色、補強材 0.3 mm 以下、目に見えるアンダーカットなし 標準の自生 GTAW 溶接では中程度の状況は許容されます。 AWS D1.6 クラス B に合格するために目視検査されています。
塩化物 5,000 ～ 20,000 ppm、80 ～ 100 度、非流動ゾーン、毎週の熱サイクル淡い麦わら色、補強 0.2 mm 以下、PWHT 応力緩和 (550 度、30 分) PWHT は残留応力を SCC 閾値以下に減少させます。オキサイドブルーは使用できません。すべての溶接部は染料浸透剤によって検査されます。
Continuous Duty, chlorides >20,000 ppm、100 ～ 120 ℃、海水またはブラインでの使用目に見える酸化物なし (アルゴンでバックパージ)、補強材の地面の面一 ±0.1 mm、完全な PWHT 最大 SCC 耐性が必要です。-溶接後の研削によって応力発生源が除去されます。グレード 12 またはグレード 7 のベースメタルが推奨されます。
熱塩化物、pH<4 or oxidizing species (Fe3+, Cu2+) Silver weld color + Weld toe cold working (shot peening) Compressive surface stress from peening offsets tensile residual stress. Specialized procedure, more expensive.
溶接品質エンジニアリングなど

溶接の品質は、チューブの壁の厚さや加工温度には依存しません。 -一度確立されると、チタンの SCC 伝播速度は 1 ～ 2 mm/hr にも達するため、品質の悪い溶接であっても、数週間で厚い壁（1.5 mm）を突き破ることができます。ただし、薄い壁 (0.7 mm) で優れた溶接 (銀色、PWHT、接地面) を備えたものは、高温の塩水の中でも何年も使用できます。また、母材の金属グレードも溶接感受性に影響します。グレード 12 チタン (0.3% Mo および 0.8% Ni) は、グレード 2 よりもはるかに優れた溶接 HAZ 靱性を持っています。熱塩化物サービス向けに設計する場合は、すべての溶接に染料浸透検査 (ASTM E165) を指定し、指示のない溶接のみを受け入れます。溶接中のアルゴンによるバックパージはオプションではありません。外観検査では確認できない内面の酸化を防ぐために必要です。

良い仕様の作り方

(1) 溶接の色は、AWS A5.16 カラーチャートに従って明るい麦わら色よりも暗くありません。 (2) 最大溶接補強 0.2 mm。 (3) アンダーカットがないこと。 (4) 書面による報告書を伴う全数染料浸透検査。 (5) 90 度を超えるサービスでの溶接後熱処理。60 度を超える高温塩化物環境用のチタン加熱管を指定する場合、調達仕様書に次の溶接品質要件を含めることをお勧めします。サプライヤーの方法でこれらの基準に適合する溶接が生成されることを示す溶接手順認定記録 (PQR) を要求します。これにより、溶接シームの品質が主要な設計パラメータとなり、エンジニアは高温塩化物の使用における SCC リスクを直接調整し、溶接部を故障の開始点からヒーター アセンブリの信頼できる部分に変えることができます。