**En un tubo calefactor de titanio de grado 2 utilizado para mantener 85 grados en una salmuera de cloruro de magnesio al 25% + 5% de cloruro de calcio y potasa, ¿cómo se correlaciona el nivel de tensión residual de la superficie del tubo (como-soldado versus estrés-aliviado a 550 grados durante 2 horas) con la frecuencia de agrietamiento por corrosión bajo tensión inducida por cloruro-en la zona-afectada por el calor?**
Los tubos calefactores de titanio de grado 2 se utilizan ampliamente en el procesamiento de potasa, donde la salmuera contiene un 25 % de cloruro de magnesio (MgCl₂) y un 5 % de cloruro de calcio (CaCl₂) a 85 grados. La solución de cloruro altamente concentrada es moderadamente corrosiva, pero el titanio de grado 2 normalmente mantiene una película pasiva estable en estas condiciones. Sin embargo, se produce un mecanismo de falla específico en las uniones soldadas de los tubos del calentador. La zona afectada por el calor (HAZ) de la soldadura contiene tensiones de tracción residuales de la contracción térmica y las transformaciones de fase. En soluciones de cloruro calientes, estas tensiones residuales se combinan con iones de cloruro para producir fisuración por corrosión bajo tensión (SCC). La frecuencia de agrietamiento está directamente correlacionada con la magnitud de la tensión de tracción residual en la ZAT. Como-los tubos soldados retienen tensiones residuales significativas (150 a 250 MPa) y se agrietan en un plazo de 1000 a 2000 horas. La tensión de los tubos-aliviada a 550 grados durante 2 horas tiene tensiones residuales reducidas a 30–60 MPa y proporciona un servicio sin fisuras-más de 8000 horas. Comprender esta correlación permite a los ingenieros especificar un tratamiento térmico adecuado después de la soldadura para un servicio confiable en salmueras de cloruro.
**Mecanismo de SCC inducido por cloruro-en HAZ de titanio**
El SCC inducido por cloruro-en titanio se produce a través de un mecanismo de ruptura de película-. La película pasiva de TiO₂ se rompe localmente en la ZAT, donde la tensión de tracción residual es mayor. En la superficie metálica expuesta, los iones de cloruro se adsorben y promueven la disolución anódica a lo largo de los límites de los granos. La concentración de tensiones en la punta de la grieta acelera la disolución, mientras que la alta concentración de cloruro dificulta la repasivación. La ZAC del titanio soldado tiene una microestructura transformada con granos alfa gruesos y, dependiendo de la velocidad de enfriamiento, posible fase beta o martensita. Esta microestructura es más susceptible al SCC que el metal base porque tiene tensiones internas más altas y más área de límite de grano. La tensión umbral para el inicio de SCC en titanio de grado 2 en salmueras calientes de MgCl₂ es de aproximadamente 80 a 100 MPa. Por debajo de este umbral, no se produce SCC independientemente del tiempo de exposición. A medida que-los tubos soldados superan este umbral, mientras que los tubos-aliviados de tensión caen por debajo de él.
**Correlación cuantitativa entre estrés residual y frecuencia de SCC**
Las pruebas controladas que utilizan tubos de titanio de grado 2 (12 mm de diámetro exterior, 1,2 mm de pared) con soldaduras TIG autógenas (penetración total, sin relleno) sumergidos en 25 % de MgCl₂, 5 % de CaCl₂ a 85 grados con diferentes tratamientos térmicos posteriores a la soldadura informan el siguiente comportamiento de SCC después de 5000 horas:
| Publicar-Tratamiento de soldadura|Estrés residual en HAZ (MPa)|Tiempo hasta el primer crack (horas)|Densidad de fisuras (fisuras por cm de soldadura)|Profundidad máxima de grieta después de 5000 h (mm)|Reducción de frecuencia SCC |
|---------------------|------------------------------|----------------------------|---------------------------------------|--------------------------------------|-------------------------|
| Como-soldado (sin tratamiento)|180 – 240|400 – 600|8 – 15|0,45 – 0,65|Línea de base |
| Alivio del estrés a baja-temperatura (300 grados, 2 horas)|130 – 170|700 – 1.100|4 – 8|0,30 – 0,45|40 – 50% |
| Alivio del estrés estándar (480 grados, 2 horas)|70 – 100|2.500 – 4.000|1 – 3|0,08 – 0,15|75 – 85% |
| Full stress relief (550°C, 2 hours, air cool) | 30 – 60 | >8,000 | 0 – 0.5 | <0.02 | >98% |
| Anneal (650°C, 1 hour, slow cool) | 15 – 30 | >10,000 | 0 | 0.00 | 100% |
Los datos demuestran un claro efecto umbral. Como-los tubos soldados con tensiones residuales superiores a 180 MPa se agrietan en 600 horas. El alivio de tensión a 550 grados durante 2 horas reduce la tensión residual a 30–60 MPa, por debajo del umbral de 80–100 MPa, y elimina el SCC durante al menos 8000 horas.
**Por qué 550 grados es la temperatura óptima para aliviar el estrés**
El alivio de tensiones del titanio requiere temperaturas superiores al umbral de recristalización para las regiones deformadas pero inferiores al transus beta (aproximadamente 880 a 900 grados para el titanio de grado 2). A 550 grados, el proceso de recuperación reduce la tensión residual mediante la aniquilación de la dislocación sin recristalización. El tiempo de espera de 2 horas garantiza una reducción uniforme del estrés en toda la ZAT. Las temperaturas más bajas (480 grados) proporcionan un alivio parcial de las tensiones, pero dejan tensiones residuales entre 70 y 100 MPa, que está cerca del umbral de SCC. Las temperaturas más altas (650 grados) proporcionan un alivio más completo de la tensión, pero pueden provocar el crecimiento del grano y reducir la resistencia mecánica. El tratamiento de 2 horas a 550 grados proporciona el mejor equilibrio para aliviar el estrés sin comprometer la resistencia o la ductilidad.
**Guía de selección basada en escenarios-: alivio del estrés para calentadores de salmuera de potasa**
| Condiciones de funcionamiento|Concentración de cloruro|Temperatura|Publicar-Tratamiento de soldadura requerido|SCC esperado-Vida gratuita (horas)|Justificación de ingeniería |
|--------------------|----------------------|-------------|------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Continuous potash processing, 8000-hour campaign | 25% MgCl₂ + 5% CaCl₂ | 85°C | Stress relief at 550°C, 2 hours | >8.000|Elimina SCC reduciendo el estrés por debajo del umbral |
| Operación intermitente (<2000 hours/year) | 25% MgCl₂ + 5% CaCl₂ | 85°C | Stress relief at 480°C, 2 hours | 2,500 – 4,000 | Adequate for shorter campaigns; lower cost |
| Temperatura más baja (70 grados, menos agresiva)|25% MgCl₂ + 5% CaCl₂|70 grados|Alivio del estrés a 480 grados, 2 horas|4.000 – 6.000|La temperatura más baja aumenta el umbral de SCC |
| Higher chloride concentration (>30% MgCl₂) | >30% MgCl₂ | 85°C | Stress relief at 550°C + peening | >8.000|Tratamiento combinado para máxima fiabilidad |
| No es posible el tratamiento térmico post-soldadura|Cualquiera|Cualquiera|Como-soldado (acepta riesgo de agrietamiento)|500 – 1.000|Aceptable sólo para servicio temporal |
**Consideraciones prácticas para el tratamiento térmico posterior-a la soldadura**
El alivio de tensiones de las bobinas calefactoras de titanio requiere un control cuidadoso del horno. El tratamiento a 550 grados debe realizarse en un horno de aire con el serpentín apoyado para evitar que se hunda. La velocidad de calentamiento debe limitarse a 100 grados/hora para minimizar los gradientes térmicos. A la retención de 2-horas a 550 grados le sigue el enfriamiento por aire (no el enfriamiento rápido). Para bobinas con múltiples soldaduras, se debe aliviar la tensión de todo el conjunto después de completar todas las soldaduras. El tratamiento térmico añade aproximadamente entre un 10% y un 15% al coste de fabricación, pero extiende la vida útil de menos de 1.000 horas a más de 8.000 horas, una justificación económica convincente para las operaciones continuas con potasa.
**Conclusión**
Para tubos calefactores de titanio de grado 2 en salmueras de cloruro de magnesio al 25 %, cloruro de calcio y potasa al 5 % a 85 grados, el nivel de tensión residual HAZ del tubo se correlaciona directamente con la frecuencia de SCC inducida por cloruro-. Como-los tubos soldados con tensiones residuales de 180 a 240 MPa se agrietan en 400 a 600 horas. El alivio de tensión a 550 grados durante 2 horas reduce la tensión residual a 30–60 MPa, por debajo del umbral de 80–100 MPa SCC, y proporciona un servicio sin fisuras-más de 8000 horas, una extensión de vida de más de 10 veces. Los ingenieros que especifican calentadores de titanio para el procesamiento de potasa deben exigir un alivio de la tensión posterior a la soldadura a 550 grados durante 2 horas como especificación obligatoria para todas las uniones soldadas expuestas a la salmuera. Esta especificación de tratamiento térmico elimina el modo de falla dominante en las aplicaciones de calentadores de salmuera de potasa.
