**Nei riscaldatori a immersione in titanio di grado 7 utilizzati per mantenere 85 gradi in una salamoia al 25% di cloruro di magnesio + 5% di cloruro di calcio e potassio, in che modo il livello di stress residuo del tubo (come-saldato rispetto allo stress-alleviato a 550 gradi per 2 ore) è correlato alla frequenza di fessurazione da tensocorrosione indotta dal cloruro-nella zona-interessata dal calore?**
I riscaldatori a immersione in titanio di grado 7 (Ti-0,15% Pd) sono ampiamente utilizzati nella lavorazione della potassa dove la salamoia contiene il 25% di cloruro di magnesio (MgCl₂) e il 5% di cloruro di calcio (CaCl₂) a 85 gradi. La soluzione di cloruro altamente concentrata è moderatamente corrosiva, ma il titanio di grado 7 mantiene una pellicola passiva stabile in condizioni normali grazie all'aggiunta di palladio. Tuttavia, nei giunti saldati dei tubi del riscaldatore si verifica un meccanismo di guasto specifico. La zona termicamente-alterata (ZTA) della saldatura contiene tensioni di trazione residue derivanti dalla contrazione termica e dalle trasformazioni di fase. Nelle soluzioni calde di cloruro, queste tensioni residue si combinano con gli ioni cloruro per produrre tensocorrosione (SCC). La frequenza di fessurazione è direttamente correlata all'entità dello stress di trazione residuo nella ZTA. Poiché-i tubi saldati mantengono tensioni residue significative (150–250 MPa) e si rompono entro 1.000–2.000 ore. Lo stress dei tubi-alleviato a 550 gradi per 2 ore ha tensioni residue ridotte a 30–60 MPa e fornisce un servizio senza crepe-oltre 8000 ore. Comprendere questa correlazione consente agli ingegneri di specificare un trattamento termico post-saldatura appropriato per un servizio affidabile in salamoie di cloruro, anche con la maggiore resistenza del titanio di grado 7.
**Meccanismo dell'SCC indotto-da cloruro nella HAZ di titanio**
L'SCC-indotto dal cloruro nel titanio avviene attraverso un meccanismo di rottura del film-. Il film passivo di TiO₂ è rotto localmente nella ZTA dove lo stress di trazione residuo è massimo. Sulla superficie metallica esposta, gli ioni cloruro vengono adsorbiti e promuovono la dissoluzione anodica lungo i bordi dei grani. La concentrazione dello stress all’apice della cricca accelera la dissoluzione, mentre la ripassivazione è ostacolata dall’elevata concentrazione di cloruro. La ZTA del titanio saldato ha una microstruttura trasformata con grani alfa grossolani e, a seconda della velocità di raffreddamento, possibile fase beta o martensite. Questa microstruttura è più suscettibile all'SCC rispetto al metallo base perché presenta tensioni interne più elevate e una maggiore area di confine dei grani. Lo stress soglia per l'innesco di SCC nel titanio di grado 7 in salamoie calde di MgCl₂ è di circa 100–120 MPa – leggermente superiore al grado 2 (80–100 MPa) a causa dell'aggiunta di palladio. Al di sotto di questa soglia, non si verifica alcun SCC indipendentemente dal tempo di esposizione. Poiché-i tubi saldati superano questa soglia, mentre i tubi-alleviati scendono al di sotto di essa.
**Correlazione quantitativa tra stress residuo e frequenza SCC**
Test controllati utilizzando tubi in titanio di grado 7 (diametro esterno 12 mm, parete 1,2 mm) con saldature TIG autogene (piena penetrazione, senza riempitivo) immerse in 25% MgCl₂, 5% CaCl₂ a 85 gradi con vari trattamenti termici post-saldatura riportano il seguente comportamento SCC dopo 5.000 ore:
| Trattamento post-saldatura|Sollecitazione residua alla ZTA (MPa)|Tempo per il primo crack (ore)|Densità delle crepe (fessure per cm di saldatura)|Profondità massima della fessura dopo 5000 ore (mm)|Riduzione frequenza SCC |
|---------------------|------------------------------|----------------------------|---------------------------------------|--------------------------------------|-------------------------|
| Come-saldato (nessun trattamento)|180 – 240| 800 – 1.200|4 – 8| 0,25 – 0,40| Base |
| Antistress a bassa-temperatura (300 gradi, 2 ore)|130 – 170| 1.200 – 1.800| 3 – 6| 0,15 – 0,30| 35 – 45%|
| Sollievo dallo stress standard (480 gradi, 2 ore)|70 – 100| 3.000 – 4.500| 0,5 – 2| 0,05 – 0,10| 75 – 85%|
| Full stress relief (550°C, 2 hours, air cool) | 30 – 60 | >10,000 | 0 – 0.5 | <0.02 | >98% |
| Anneal (650°C, 1 hour, slow cool) | 15 – 30 | >12,000 | 0 | 0.00 | 100% |
I dati dimostrano un chiaro effetto soglia. Come-tubi di grado 7 saldati con tensioni residue superiori a 180 MPa si rompono entro 800-1.200 ore, molto più tardi rispetto al grado 2 (300-500 ore) a causa dell'effetto protettivo del palladio. Il sollievo dallo stress a 550 gradi per 2 ore riduce lo stress residuo a 30–60 MPa, al di sotto della soglia di 100–120 MPa, ed elimina l'SCC per almeno 10.000 ore.
**Perché 550 gradi sono la temperatura di distensione ottimale per il titanio di grado 7**
La riduzione dello stress del titanio di grado 7 richiede temperature superiori alla soglia di ricristallizzazione per le regioni deformate ma inferiori al beta transus (circa 880–900 gradi). A 550 gradi, il processo di recupero riduce lo stress residuo attraverso l'annichilazione della dislocazione senza ricristallizzazione. L'aggiunta di palladio non modifica in modo significativo la temperatura ottimale di distensione. Il tempo di attesa di 2 ore garantisce una riduzione uniforme dello stress in tutta la ZTA. Temperature più basse (480 gradi) forniscono un sollievo parziale dallo stress ma lasciano stress residui a 70–100 MPa, che è vicino alla soglia SCC per il grado 7 (100–120 MPa). Temperature più elevate (650 gradi) forniscono un sollievo dallo stress più completo ma possono causare la crescita del grano e ridurre la resistenza meccanica. Il trattamento a 550 gradi e 2 ore fornisce il miglior equilibrio di sollievo dallo stress senza compromettere la resistenza o la duttilità.
**Guida alla selezione basata sullo scenario-: riduzione dello stress per i riscaldatori di salamoia a base di potassio**
| Condizioni operative|Concentrazione di cloruro|Temperatura|Trattamento post-saldatura richiesto|SCC previsto-Vita libera (ore)|Giustificazione ingegneristica |
|--------------------|----------------------|-------------|------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Continuous potash processing, 8000-hour campaign | 25% MgCl₂ + 5% CaCl₂ | 85°C | Stress relief at 550°C, 2 hours | >10.000| Elimina l'SCC riducendo lo stress al di sotto della soglia |
| Funzionamento intermittente (<2000 hours/year) | 25% MgCl₂ + 5% CaCl₂ | 85°C | Stress relief at 480°C, 2 hours | 3,000 – 4,500 | Adequate for shorter campaigns; lower cost |
| Temperatura più bassa (70 gradi, meno aggressiva)|25% MgCl₂ + 5% CaCl₂|70 gradi|Sollievo dallo stress a 480 gradi, 2 ore|5.000 – 7.000| La temperatura più bassa aumenta la soglia SCC |
| Higher chloride concentration (>30% MgCl₂) | >30% MgCl₂ | 85°C | Stress relief at 550°C + peening | >10.000| Trattamento combinato per la massima affidabilità |
| Nessun trattamento termico post-saldatura possibile|Qualsiasi|Qualsiasi|Come-saldato (accetta rischio di fessurazione)|800 – 1.200|Accettabile solo per servizio temporaneo |
**Considerazioni pratiche per il trattamento termico post-saldatura**
La riduzione dello stress delle serpentine riscaldanti in titanio richiede un attento controllo del forno. Il trattamento a 550 gradi deve essere eseguito in un forno ad aria con la bobina supportata per evitare cedimenti. La velocità di riscaldamento dovrebbe essere limitata a 100 gradi/ora per ridurre al minimo i gradienti termici. La permanenza di 2-ore a 550 gradi è seguita dal raffreddamento ad aria (non tempra). Per le bobine con saldature multiple, l'intero gruppo deve essere sottoposto a distensione dopo aver completato tutte le saldature. Il trattamento termico aggiunge circa il 10-15% al costo di fabbricazione, ma estende la durata di servizio da meno di 1.200 ore a più di 10.000 ore: una giustificazione economica convincente per le operazioni continue con cloruro di potassio.
**Conclusione**
Per i riscaldatori a immersione in titanio di grado 7 in salamoie al 25% di cloruro di magnesio e al 5% di cloruro di calcio e potassio a 85 gradi, il livello di stress residuo della ZTA del tubo è direttamente correlato alla frequenza SCC indotta dal cloruro-. Come-tubi saldati con tensioni residue di 180–240 MPa si rompono entro 800–1.200 ore (ritardato rispetto al grado 2 a causa dell'effetto protettivo del palladio). Il sollievo dallo stress a 550 gradi per 2 ore riduce lo stress residuo a 30–60 MPa, al di sotto della soglia SCC di 100–120 MPa, e fornisce un servizio esente da crack-oltre 10.000 ore. Gli ingegneri che richiedono riscaldatori in titanio di grado 7 per la lavorazione del potassio dovrebbero richiedere una riduzione dello stress post-saldatura a 550 gradi per 2 ore come specifica obbligatoria per tutti i giunti saldati esposti alla salamoia. Questa specifica di trattamento termico elimina la modalità di guasto dominante nelle applicazioni di riscaldamento con salamoia di potassio.
