Čo znamená zváraná oceľová rúrka z titánovej zliatiny a prečo sa titán nemôže priamo zvárať s oceľou?

Pojem „oceľové rúry zvárané z titánovej zliatiny“ je bežný priemyselný nesprávny názov. Nevzťahuje sa na potrubie vyrobené z homogénnej zmesi titánu a ocele. Namiesto toho opisuje kompozitnú štruktúru, kde rúrka z uhlíkovej alebo nízkolegovanej ocele poskytuje mechanickú pevnosť, ktorá odoláva tlaku a zaťaženiam. Naproti tomu titánová vrstva na vnútornej strane poskytuje vynikajúcu odolnosť proti korózii. Tento dizajn spája nákladovú-efektívnosť a pevnosť ocele s bezkonkurenčnou odolnosťou titánu voči korózii.

Existujú dve hlavné formy tohto kompozitného potrubia:

Titánová-oceľová rúrka s povlakom: Pri výrobe sa ako východiskový materiál používa výbušná alebo valcovaná-titánová- oceľová platňa. Táto doska sa potom zroluje a zvarí do rúry.

Titánová-ocelová rúrka s vložkou: Tenkostenná titánová rúrka (vložka) sa vloží do hotovej zváranej oceľovej rúrky a mechanicky sa spojí pomocou metód, ako je hydraulické rozťahovanie alebo výbušné tvarovanie.

Prečo je priame zváranie nemožné:
Toto je základná metalurgická výzva. Titán a železo (hlavný prvok ocele) majú:

Nízka rozpustnosť: V roztavenom stave sa ľahko nemiešajú.

Tvorba krehkých intermetalických materiálov: Pri vysokých teplotách zvárania titán reaguje so železom, uhlíkom a ďalšími prvkami v oceli za vzniku tvrdých, krehkých zlúčenín, ako sú FeTi, Fe₂Ti a TiC. Tieto zlúčeniny nemajú žiadnu ťažnosť a vytvárajú zvarový šev, ktorý je prirodzene prasknutý a zlyhá pri minimálnom namáhaní.

Diferenciálna tepelná rozťažnosť: Významný rozdiel v koeficientoch tepelnej rozťažnosti medzi titánom a oceľou vytvára obrovské zvyškové napätia počas chladenia, čím sa ďalej šíria trhliny v zóne krehkého zvaru.

Preto priame tavné zváranie nie je inžinierskou možnosťou, preto sú nevyhnutné kompozitné alebo lemované riešenia.

2. Výrobný proces: Aké sú kľúčové kroky pri výrobe titánovej-plátovanej zváranej oceľovej rúry a ako je zabezpečená jej kvalita?

Výroba titánom-pokovovaných zváraných oceľových rúr je presný proces s prísnymi kontrolami kvality. Kľúčové kroky sú:

Príprava suroviny: Proces začína certifikovanou doskou z titánovej{0}}oceľovej platne, zvyčajne so základnou vrstvou z ocele tlakovej nádoby (napr. SA516 Gr.70) a vrstvou z komerčne čistého titánu (Gr.1 alebo Gr.2). Pevnosť spojenia na rozhraní musí spĺňať normy ako ASTM A264 alebo ASME SA-263.

Valcovanie plechu: Plátovaný plech sa opatrne zvinie do valcového tvaru. Tento krok vyžaduje mimoriadnu opatrnosť, aby nedošlo k poškriabaniu titánového povrchu a čo je ešte dôležitejšie, k delaminácii plátovaného rozhrania.

Zváranie - Najkritickejší krok: Zahŕňa dve odlišné, postupné zváracie operácie na pozdĺžnom šve:

Zváranie konštrukčnej ocele: Najprv sa zvára oceľová podkladová vrstva pomocou štandardného procesu, ako je zváranie pod tavivom (SAW). Tento zvar musí dosiahnuť plný prienik a vysokú pevnosť, aby uniesol mechanické zaťaženie.

Titánový zvar odolný proti korózii (metóda podkladového pásu): Po dokončení oceľového zvaru sa zvnútra vykoná titánový obkladový zvar. Najbežnejšou a najspoľahlivejšou technikou je metóda Backing Strip. Na vnútornej strane je umiestnený pásik titánu, ktorý zodpovedá kvalite obkladu a zakrýva medzeru. Tento pás sa potom zvarí na základný titánový plášť na oboch stranách pomocou zvárania plynovým volfrámovým oblúkom (GTAW/TIG) pod prísnym preplachovaním argónom. To vytvára súvislú titánovú bariéru-odolnú voči korózii, ktorá úplne izoluje oceľovú konštrukciu od procesnej tekutiny.

Tepelné spracovanie po zváraní (PWHT): Tepelné spracovanie po zváraní (PWHT): PWHT možno vykonať na zmiernenie pnutia v hrubom oceľovom zvare. Teplota a čas však musia byť prísne kontrolované, aby sa zabránilo vytvoreniu krehkej difúznej vrstvy na rozhraní titánovej-ocele.

Ne{0}}deštruktívne testovanie (NDT): Kvalita je zabezpečená prostredníctvom prísneho NDT:

Oceľový zvar: 100% rádiografické testovanie (RT) alebo ultrazvukové testovanie (UT).

Titánový zvar: 100% penetračný test farbiva (PT) alebo vizuálny test (VT) na kontrolu povrchových defektov.

Integrita spoja: Ultrazvukové testovanie (UT) sa vykonáva na plátovanej doske a dokončenej rúre, aby sa zabezpečilo, že počas výroby nedošlo k žiadnej delaminácii.

3. Aplikácie a ekonomické zdôvodnenie: V ktorých priemyselných odvetviach sa tieto rúry používajú a prečo zvoliť toto drahé kompozitné riešenie pred pevným titánom?

Tieto rúry sú špecifikované v -hodnotných a kritických{1}}odvetviach služieb, kde je prostredie príliš agresívne pre nehrdzavejúcu oceľ alebo iné zliatiny, ale cena pevných titánových rúr je neúmerná.

Chemický, petrochemický a farmaceutický priemysel: Používa sa v reaktoroch, výmenníkoch tepla a prenosových linkách manipulujúcich s extrémne korozívnymi médiami, ako sú chloridy, vlhký chlór, kyselina octová a kyselina mravčia. Kompozitný dizajn umožňuje prevádzku pri vysokých tlakoch a teplotách, kde pevný titán nemusí byť mechanicky uskutočniteľný alebo nákladovo-efektívny.

Ropa a plyn (proti prúdu a po prúde): V hlbokomorských{0}}aplikáciách na mori môžu potrubia prepravovať výrobné kvapaliny obsahujúce CO₂, H₂S, chloridy a soľanku. Kompozitné potrubie je odolné voči vnútornej korózii a zároveň odoláva vysokým vonkajším tlakom. Používajú sa aj pri rafinačných procesoch s korozívnymi katalyzátormi.

Systémy odsírenia spalín (FGD): V elektrárňach sú oblasti práčky a potrubia, ktoré manipulujú s horúcimi, kyslými kondenzátmi spalín, vysoko korozívne. Titánové-sekcie poskytujú v tomto prostredí výnimočnú životnosť.

Námorné a pobrežné inžinierstvo: Používa sa pre výmenníky tepla chladené morskou{0}}vodou{1}} a kritické potrubné systémy na lodiach a plošinách, kde je prvoradá odolnosť voči jamkovej a štrbinovej korózii.

Ekonomické odôvodnenie:
Zatiaľ čo počiatočné náklady na rúrku potiahnutú titánom- sú výrazne vyššie ako v prípade nehrdzavejúcej ocele, často sú o 60-80 % lacnejšie ako pevné titánové rúrky rovnakého tlaku. Rozhodnutie je založené na nákladoch životného cyklu (LCC). Kompozitné riešenie ponúka:

Nižšie kapitálové výdavky (CAPEX) ako pevný titán.

Vynikajúca životnosť a spoľahlivosť v porovnaní s nehrdzavejúcou oceľou, eliminuje nákladné neplánované odstávky, výmeny a výrobné straty.

Znížené výdavky na údržbu (OPEX).

Ide o optimálny technický a ekonomický kompromis pre náročné prevádzkové podmienky.

4. Výzvy v oblasti dizajnu a výroby: Aké sú kľúčové technické úvahy pri navrhovaní systému s rúrkami potiahnutými titánom-?

Navrhovanie a výroba s týmito rúrami si vyžaduje špeciálne znalosti, aby sa predišlo katastrofickým poruchám.

Návrh križovatky: Prechod z titánu-na{1}}oceľ.
Najkritickejším detailom je, kde sa titánom-plášťované potrubie pripája k pevnému oceľovému potrubiu alebo nádobe. Titánová vrstva musí byť správne ukončená. Štandardnou metódou je „odstúpiť-späť“ obklad. Titánová vrstva je ukončená pred oceľovou základnou vrstvou a na exponovanú oceľovú prechodovú zónu je nanesená korózna{5}}ochranná zvarová vrstva (CROL). To vytvára bezpečný, postupný prechod z korozívneho prostredia do konštrukčnej ocele.

Výroba a prispôsobenie-:
Titánový povrch musí byť chránený pred znečistením počas manipulácie, rezania a zvárania. Kontakt s časticami železa z nástrojov (brúsky, drôtené kefy) môže viesť k lokálnej korózii. Na všetky vedľajšie práce s titánom-sa musia používať špeciálne čisté nástroje.

Špecifikácie postupu zvárania (WPS):
Pre oceľový konštrukčný zvar a zvar titánového plášťa je potrebný samostatný a kvalifikovaný WPS. Titánový WPS musí špecifikovať čistenie argónom vysokej{1}}čistoty (vo vnútri aj mimo zvarovej zóny), aby sa zabránilo kontaminácii kyslíkom a dusíkom, ktorá krehne titánový zvar.

Riadenie tepelnej expanzie:
Rôzne koeficienty tepelnej rozťažnosti medzi titánom a oceľou musia byť zohľadnené pri návrhu systému, najmä pri cyklických teplotných službách, aby sa predišlo nadmernému namáhaniu spojovacieho rozhrania alebo zvarov.

5. Kontrolné, testovacie a poruchové režimy: Ako sa overuje integrita týchto potrubí a aké sú ich bežné poruchové režimy?

Overenie integrity je viacstupňový{0}}proces a pochopenie potenciálnych zlyhaní je kľúčom k prevencii.

Režim kontroly a testovania:

Počas výroby: Ako je popísané v Q2, toto zahŕňa UT plátovaného spoja, RT oceľového zvaru a PT titánového zvaru.

Záverečná hydrostatická skúška: Hotové potrubie je natlakované vodou na 1,5-násobok projektovaného tlaku. Toto testuje integritu oceľovej tlakovej hranice, ale zvyčajne nenamáha titánovú vložku.

Pri{0}}servisnej kontrole:

Vizuálna kontrola/PT: Pravidelná vnútorná kontrola na známky poškodenia, erózie alebo prasklín v titánovej vrstve.

Ultrazvukové testovanie (UT): Používa sa na monitorovanie hrúbky titánovej vložky na všeobecnú koróziu a na kontrolu delaminácie na rozhraní.

Bežné režimy porúch:

Zrútenie titánovej vložky (vybočenie): K tomu môže dôjsť, ak prstencový priestor medzi vložkou a hostiteľskou rúrou nie je dokonale vyprázdnený alebo ak je systém vystavený rýchlym zmenám vonkajšieho tlaku (napr. počas-výstupu pary). Tenká titánová vložka môže implodovať.

Delaminácia: Zlá výroba, nadmerné tepelné cykly alebo mechanické nárazy môžu spôsobiť oddelenie titánovej vrstvy od oceľového podkladu, čím sa vytvorí medzera. Táto medzera môže viesť k lokalizovanému prehriatiu a strate štrukturálnej integrity.

Porucha prechodového spoja: Nesprávny návrh alebo vyhotovenie prechodového spoja z titánovej-do{1}}oceľovej časti je klasickým bodom poruchy, ktorý vedie k rýchlej korózii obnaženej ocele.

Defekty titánových zvarov: Nedostatočné preplachovanie plynom počas titánového zvárania vedie k krehnutiu a praskaniu zvaru, čo umožňuje korozívnym kvapalinám napádať spodný oceľový zvar, čo vedie k prerazeniu-steny.