Para um conjunto de tubos de titânio usado para reaquecer licor de decapagem (8% HNO₃ + 2% HF) a 55 graus, qual é a altura crítica do reforço de solda que triplica a taxa de erosão local?

O titânio tem uma taxa de corrosão uniforme perceptível de cerca de 0,1-0,3 mm por ano em líquido de decapagem contendo 8% de ácido nítrico e 2% de ácido fluorídrico a 55 graus. Contudo, o reforço da solda, ou seja, a quantidade de metal de solda que sobressai além da superfície do tubo, introduz uma descontinuidade geométrica que acelera enormemente a erosão-corrosão local. A saliência da solda atua como uma obstrução, perturbando o fluxo e causando turbulência a jusante. Partículas de licor (de incrustações ou lama) atingem a borda a jusante do reforço de solda. No caso de uma altura de reforço de solda maior que um valor crítico, a taxa de erosão local é aumentada por um fator três em relação a uma solda lisa e nivelada com o solo. Para velocidades médias de fluxo do líquido de decapagem de 1-2 m/s, esta altura crítica é de 0,3 mm.

O mecanismo básico de aceleração-da erosão no reforço de solda

O fluxo sobre uma solda saliente cria uma bolha de separação a jusante do reforço. O fluxo recircula dentro desta bolha a 2-5 vezes a velocidade inicial. Partículas abrasivas-precipitados de fluoreto de ferro, incrustações insolúveis ou sólidos suspensos-são arrastadas pela zona de recirculação e colidem repetidamente com a superfície do titânio. O revestimento passivo é removido mecanicamente e o titânio exposto se dissolve muito rapidamente no ácido que contém HF-. A taxa de erosão está relacionada à velocidade do fluxo local por uma lei de potência, aproximadamente proporcional à velocidade ao cubo. Um reforço de solda de 0,3 mm leva a uma zona de recirculação com velocidades locais de 2–3 m/s. O reforço de 0,6 mm resulta em velocidades locais de 4-6 m/s que aumentam a taxa de erosão por um factor de 8-27. O limite crucial de 0,3 mm é a altura na qual a zona de recirculação está totalmente desenvolvida e autossustentada.

Taxas quantitativas de erosão em diversas alturas de reforço de solda.

As taxas de erosão-corrosão na borda a jusante da solda foram determinadas a partir de testes de circuito controlado em 8% HNO{sub 3} + 2% HF a 55°C com 1% de sólidos suspensos (50 {micro}m de partículas de fluoreto de ferro, velocidade de fluxo de 1,5 m/seg) por 500 horas. Quando a solda é retificada com a superfície do tubo (protuberância de 0 mm), a taxa de erosão-corrosão é de 0,12–0,20 mm por ano, o que é praticamente igual à taxa de corrosão uniforme do metal base. A taxa aumenta para 0,15–0,28 mm/ano com um reforço de 0,1 mm, o que representa uma aceleração insignificante de 1,3- vezes. A taxa é de 0,25–0,45 mm por ano a 0,2 mm, cerca de duas vezes a linha de base. No limiar crítico de 0,3 mm, a taxa sobe para 0,40–0,70 mm/ano, um aumento de três a quatro vezes. Esta taxa aumenta para 0,80-1,50 mm ano-1 com um limiar de 0,5 mm, um aumento de oito vezes. A taxa de erosão-corrosão com armadura de 1,0 mm é de 2,0-4,0 mm/ano. Ranhuras e perfurações desenvolvem-se rapidamente, em semanas.

Altura Crítica da Armadura: Efeitos da Velocidade do Fluxo e Carregamento de Sólidos

A altura crítica do reforço é altamente dependente da velocidade do fluxo e da carga de sólidos. Em baixa velocidade de fluxo de 0,5 m/s com 0,5% de sólidos, a altura limite aumenta para 0,5 mm devido à menor energia cinética das partículas que exigem um obstáculo maior para gerar recirculação destrutiva. 0.4 mm de altura crítica a 1,0 m/s com 1,0% de sólidos. A altura crítica em circunstâncias padrão (1,5 m/s, 1,0% de sólidos) é de 0,3 mm. A 2,0 m/s e 2,0% de sólidos, a altura limite reduz para 0,2 mm. Com 2,0% de sólidos a altura crítica é de apenas 0,15 mm a 2,5 m/s. Cargas mais altas de sólidos aumentam a frequência de impactos de partículas e, assim, reduzem a altura crítica do reforço para uma determinada velocidade de fluxo. Portanto, aquecedores de licor de decapagem em serviços de alto-fluxo ou alto-sólidos exigem regulamentação mais rigorosa do reforço de solda.

Aquecedores de licor de picles – Especificação de reforço de soldagem

A tabela a seguir lista as alturas máximas permitidas de reforço de solda para feixes de tubos de titânio Grau 2, em 8% HNO 3 + 2% HF, a 55 graus em função da velocidade do fluxo, carga de sólidos e vida útil pretendida.

Velocidade de fluxo (m/s) Carga de sólidos (% em peso) Vida útil desejada (anos) Máx. Reforço de solda permitido (mm) Taxa de erosão local prevista (mm/ano)
<1.0 <0.5 5 0.4 0.15–0.30
1.0–1.5 0.5–1.0 5 0.3 0.20–0.40
1.0–1.5 0.5–1.0 3 0.4 0.30–0.55 1.5–2.0 1.0–2.0 3 0.2 0.25–0.50
1.5-2.0 1.0-2.0 2 0.3 0.35-0.65 >2.0 >2.0 1 0.1 (moagem nivelada) 0,40-0,80
Controle do reforço de solda acima da engenharia

O contorno do reforço de solda é tão significativo quanto a sua altura. Uma armadura de contorno suave com um raio superior a 5 mm gera menos turbulência do que uma armadura pontiaguda e abrupta. Um rebaixo na ponta da solda-um rebaixo de solda-é ainda mais prejudicial do que o reforço, pois causa erosão localizada no rebaixo, independentemente da altura do reforço. Após a soldagem, a retificação deve permitir uma transição suave da solda para a superfície do tubo com uma inclinação não superior a 1:5. A taxa de erosão é afetada principalmente pelo impacto das partículas; o grau de titânio tem pouco efeito na taxa de erosão; Grau 2 e Grau 7 apresentam comportamento semelhante sob impacto de partículas. O aumento da espessura da parede do tubo de 1,2 mm para 2,0 mm resulta numa maior tolerância à erosão, mas a taxa de erosão não diminui. Fornecer um bom suporte ao tubo para evitar vibrações também reduz o estresse mecânico no reforço da solda.

Fazendo uma especificação-bem informada

Para um feixe de tubos de titânio aquecido com fluido de decapagem com 8% HNO₃ + 2% HF a 55 graus, exija que todas as soldas longitudinais e circunferenciais sejam retificadas até 0,1 mm da superfície do tubo. Limite a altura do reforço de solda a um máximo de 0,2 mm, medida usando um relógio comparador ou comparador de perfil de solda. Especifique uma transição de solda com raio de pelo menos 3 mm e sem rebaixo visível. Para aplicações com velocidades de fluxo acima de 1,5 m/s ou carga de sólidos acima de 1%, solicite o eletropolimento após o lixamento para minimizar ainda mais a rugosidade da superfície. Tubo rejeitado com reforço de solda > 0,3 mm ou corte inferior visível durante a inspeção de entrada A cada 6 meses durante a operação, examine as regiões de solda por mapeamento ultrassônico de espessura; reafiar, soldar ou substituir o tubo se o desbaste localizado atingir 0,2 mm por ano. O engenheiro mantém a altura do reforço de solda abaixo do nível crítico de 0,3 mm, evitando um triplo da taxa de erosão que pode levar à falha prematura no serviço de HF-contendo licor de decapagem.