الزامات بازرسی و تضمین کیفیت برای لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم چگونه است؟

1. س: چه چیزی اساساً لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم را از لوله تیتانیوم خالص و لوله فولادی معمولی متمایز می کند و چه چیزی باعث پذیرش آن در کاربردهای صنعتی می شود؟

پاسخ: لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم یک دسته محصول هیبریدی را نشان می دهد که پوشش یا روکش فلزی تیتانیوم یا آلیاژ تیتانیوم را با پشتیبان فولادی ساختاری ترکیب می کند که معمولاً از طریق اتصال رول، روکش انفجاری یا فرآیندهای پوشش جوش تولید می شود. این پیکربندی هم از لوله تیتانیوم یکپارچه (که ضخامت تمام دیوار تیتانیوم است) و هم از لوله کربن معمولی یا فولاد ضد زنگ متمایز است.

پیشنهاد ارزش اساسی در بهینه سازی استقرار مواد نهفته است: لایه تیتانیوم مقاومت خوردگی استثنایی در برابر رسانه های تهاجمی مانند آب دریا، کلریدها، اسیدهای آلی و گاز کلر مرطوب ایجاد می کند، در حالی که پشتی فولادی استحکام مکانیکی، یکپارچگی ساختاری و کارایی هزینه را ارائه می دهد. این ساختار کامپوزیتی مخصوصاً در سیستم‌های لوله‌کشی با قطر بزرگ-معمولاً 6 اینچ تا 48 اینچ (DN150 تا DN1200) و فراتر از آن مفید است-جایی که لوله‌های تیتانیوم جامد به دلیل هزینه مواد (که تیتانیوم 5 تا 10 برابر گران‌تر از فولاد کربنی است و وزن آن 5 تا 10 برابر گران‌تر از فولاد کربنی است) از نظر اقتصادی بازدارنده است. لوله تیتانیوم بدون درز یا جوش داده شده{10}}قطر بزرگ.

برخلاف لوله‌های فولادی معمولی که برای مقاومت در برابر حمله به میزان خوردگی یا پوشش‌های داخلی متکی هستند، لوله‌های روکش شده از تیتانیوم سدی با پیوند متالورژیکی ارائه می‌کنند که در برابر مکانیسم‌های تخریب مصون است-مانند سوراخ‌شدگی، خوردگی شکاف، و ترک خوردگی ناشی از تنش در محیط‌های فولادی معمولی{2}. در مقایسه با لوله‌های آستردار (جایی که آستین تیتانیوم شل وارد می‌شود)، لوله‌های با روکش جوشی خطر فروپاشی لاینر در شرایط خلاء یا انبساط حرارتی متفاوت را از بین می‌برد، زیرا پیوند متالورژیکی یکپارچگی سطحی پیوسته را تضمین می‌کند.

استفاده از لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم در صنایعی که هم مقاومت در برابر خوردگی و هم استحکام ساختاری قابل مذاکره نیست، رشد قابل توجهی داشته است: سیستم‌های خنک‌کننده آب دریا در نیروگاه‌های ساحلی، بالابرهای نفت و گاز دریایی، کشتی‌های فرآوری شیمیایی، و سیستم‌های گوگرد زدایی گازهای دودکش (FGD). در این کاربردها، لوله کامپوزیت عمر مفیدی بیش از 30 سال با حداقل تعمیر و نگهداری ارائه می‌کند که نشان‌دهنده هزینه کل مالکیت کمتری نسبت به مواد جایگزین مانند فولادهای ضدزنگ آلیاژی بالا (به عنوان مثال، سوپر-دوبلکس یا 6Mo) یا جایگزین‌های غیرفلزی مانند الیاف{9}}پلاستیک تقویت‌شده با الیاف (F) است.

2. س: روش های تولید اولیه برای تولید لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم چیست و چگونه این روش ها بر کیفیت محصول و مناسب بودن کاربرد تأثیر می گذارد؟

پاسخ: تولید لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم شامل چسباندن یک لایه تیتانیوم-معمولاً درجه 1، درجه 2 یا Gr5 (Ti-6Al-4V) - به یک فولاد کربنی یا فولاد کم آلیاژ است. سه روش تولید اصلی بر صنعت تسلط دارند که هر کدام مزایا و محدودیت‌های متمایزی را ارائه می‌کنند.

شکل گیری صفحه روکش شده با اتصال انفجاری:این فرآیند با روکش انفجاری آغاز می شود، جایی که یک ورق تیتانیوم از طریق انفجار کنترل شده به صورت متالورژیکی به صفحه پشتی فولادی متصل می شود. سپس صفحه روکشی حاصل با استفاده از ترمز فشاری یا نورد به شکل استوانه‌ای در می‌آید و به دنبال آن جوشکاری طولی پشتی فولادی و آستر تیتانیوم به طور جداگانه انجام می‌شود. این روش لوله هایی با یکپارچگی باند استثنایی-مقاومت برشی بیش از 140 مگاپاسکال- تولید می کند و برای قطرهای 12 اینچ تا بیش از 48 اینچ مناسب است. فرآیند اتصال انفجاری لایه‌های تیتانیوم ضخیم (3 تا 12 میلی‌متر) را در خود جای می‌دهد و به‌ویژه برای مخازن تحت فشار و لوله‌کشی‌های{10}}قطر بزرگ که قابلیت اطمینان باند مطلق بسیار مهم است، مورد علاقه است. با این حال، نیازمند تجهیزات سرمایه ای قابل توجهی است و برای برنامه های کاربردی{12}}قطر یا نازک{13}}کمتر مقرون به صرفه است.

کویل باند رول و جوش مارپیچی:برای قطرهای کوچکتر تا متوسط ​​(6 تا 24 اینچ)، سیم پیچ فولادی رول شده-تیتانیوم چسبانده شده-به طور فزاینده ای استفاده می شود. سیم پیچ روکش شده از طریق نورد گرم پیوسته تولید می شود و به استحکام باند 100-120 مگاپاسکال دست می یابد و سپس با استفاده از جوشکاری درز مارپیچی یا طولی به لوله تبدیل می شود. این روش راندمان تولید بالاتر و تحمل‌های ابعادی کم‌تر را ارائه می‌دهد و آن را برای کاربردهای فشار متوسط- مانند خطوط ورودی آب دریا و توزیع آب صنعتی مناسب می‌سازد. محدودیت اصلی این است که فرآیند باندینگ رول معمولاً روکش تیتانیوم نازک‌تری (1-3 میلی‌متر) تولید می‌کند که ممکن است برای خدمات بسیار فرسایشی یا شدیدا خورنده کافی نباشد.

روکش جوش (روکش):در این روش، آلیاژ تیتانیوم با استفاده از جوشکاری قوس تنگستن خودکار گاز (GTAW) یا جوشکاری قوس انتقال یافته پلاسما (PTA) روی سطح داخلی یک لوله فولادی از پیش ساخته شده{0} رسوب می‌کند. این رویکرد به ویژه برای تعمیرات، اتصالات، و هندسه های پیچیده که در آن شکل گیری صفحات روکش شده غیرعملی است، مفید است. روکش را می توان در یک یا چند پاس برای دستیابی به ضخامت مقاوم در برابر خوردگی{3}} مورد نظر اعمال کرد. با این حال، روکش جوش، مناطق تحت تأثیر حرارت را- معرفی می‌کند که اگر به دقت کنترل نشود، می‌تواند یکپارچگی پیوند را به خطر بیندازد، و این فرآیند برای تولید در مقیاس بزرگ در مقایسه با اتصال انفجار یا رول، کندتر و پرهزینه‌تر است.

صرف نظر از روش ساخت، همه لوله های فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم نیاز به بررسی دقیق غیرمخرب (NDE) دارند. تست اولتراسونیک (UT) برای تایید یکپارچگی پیوند در کل رابط الزامی است، در حالی که تست رادیوگرافی (RT) جوش های طولی و دوری، سالم بودن مانع خوردگی تیتانیوم و لایه ساختاری فولادی را تضمین می کند. انتخاب از میان این روش‌ها بر اساس قطر لوله، فشار سرویس، شدت خوردگی، و ملاحظات اقتصادی انجام می‌شود، به‌علاوه محصولات چسباننده انفجاری معمولاً برای فشار بحرانی مشخص می‌شوند{4}}شامل کاربردها و رول‌ها{5}}محصولات چسبانده شده برای سیستم‌های جابجایی آب با حجم زیاد{{6}.

3. س: چه ملاحظات جوشکاری حیاتی بر ساخت لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم، به ویژه در مورد انتقال فلز غیر مشابه بین تیتانیوم و فولاد، حاکم است؟

پاسخ: جوشکاری لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم چالش های منحصر به فردی را ایجاد می کند زیرا دو ماده تشکیل دهنده -تیتانیوم و فولاد- اساساً برای جوشکاری ذوبی مستقیم ناسازگار هستند. جوش مستقیم تیتانیوم به فولاد منجر به تشکیل فازهای بین فلزی شکننده (عمدتا TiFe و TiFe2) می‌شود که اساساً اتصال را برای کاربردهای ساختاری یا نگهدارنده فشار غیرقابل استفاده می‌کند. در نتیجه، روش های جوشکاری باید به دقت طراحی شوند تا یکپارچگی هر ماده را حفظ کنند و در عین حال از اختلاط در هنگام انتقال جلوگیری کنند.

رویکرد استاندارد صنعت از الفپیکربندی جوش سه گانه-در هر مفصل:

فولاد-به-جوش فولاد:پشتی فولاد کربنی یا کم آلیاژی{0} با استفاده از فرآیندهای معمولی جوشکاری قوس الکتریکی (SMAW، GMAW، یا SAW) با مواد مصرفی تطبیق یا تطابق بیش از حد در بخش ASME IX جوش داده می‌شود. این جوش استحکام ساختاری اتصال را فراهم می کند.

جوش تیتانیوم-به-تیتانیوم:آستر تیتانیوم به طور جداگانه با استفاده از جوش قوسی تنگستن گاز (GTAW) با محافظ آرگون خالص (هر دو تصفیه اولیه و پشتی) جوش داده می شود. پرکننده ERTi-2 یا ERTi-5 بر اساس درجه تیتانیوم انتخاب می‌شود. پوشش شدید گاز خنثی - گسترش به سپرهای عقب و سدهای پاکسازی - برای جلوگیری از آلودگی جوی ضروری است که باعث شکنندگی و از بین رفتن مقاومت در برابر خوردگی می شود.

اتصال بین لایه ای یا انتقالی:بین آستر تیتانیوم و پشتی فولادی، یک منطقه انتقال با استفاده از یک اتصال فولادی پیش‌ساخته تیتانیوم- ایجاد می‌شود (معمولاً از طریق تولید می‌شود.

پیوند انفجاری) یا یک پیکربندی جوشی به شکل هندسی که همجوشی مستقیم تیتانیوم-به-فولاد را حذف می‌کند. در اتصالات انتقالی پیش ساخته، رابط انفجاری- یک سد صوتی متالورژیکی ایجاد می‌کند که اجازه می‌دهد طرف فولادی به پشتی فولادی و طرف تیتانیوم بدون اختلاط به آستر تیتانیوم جوش داده شود.

ملاحظات اضافی عبارتند از:

کنترل حرارت ورودی:گرمای بیش از حد در طول جوشکاری فولاد می تواند مقاومت در برابر خوردگی و یکپارچگی باند لاینر تیتانیوم را کاهش دهد. حلقه های پشتی یا هیت سینک اغلب برای محافظت از لایه تیتانیوم استفاده می شود.

بازرسی:تمام جوش‌های تیتانیوم برای تشخیص تخلخل، عدم همجوشی یا آلودگی نیاز به آزمایش رادیوگرافی 100% یا نافذ دارند. جوش های فولادی معمولاً از طریق روش های رادیوگرافی یا اولتراسونیک بر اساس کدهای قابل اجرا بررسی می شوند.

عملیات حرارتی پس از-جوش (PWHT):اگر پشتی فولادی نیاز به کاهش تنش دارد (معمولاً برای فولاد کربنی در سرویس‌های ترش یا دیوارهای ضخیم{0}})، دمای مواجهه آستر تیتانیوم باید محدود باشد. خواص مکانیکی تیتانیوم تقریباً بالای 540 درجه کاهش می یابد و PWHT بالاتر از این آستانه می تواند یک لایه شکنندگی آلفا- ایجاد کند. در چنین مواردی، PWHT موضعی یا انتخاب مواد جایگزین (به عنوان مثال، گریدهای فولادی نرمال شده که نیازی به عملیات حرارتی پس از جوش{7} ندارند) اجرا می شود.

مشخصات روش جوشکاری واجد شرایط (WPS) و صلاحیت جوشکار تحت ASME بخش IX یا AWS D1.6 (کد جوشکاری ساختاری برای تیتانیوم) اجباری است، با جوشکاران معمولاً برای فرآیندهای جوشکاری تیتانیوم GTAW و قوس فولادی به صلاحیت جداگانه نیاز دارند.

4. س: الزامات بازرسی و تضمین کیفیت برای لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم با موارد مورد نیاز تیتانیوم یکپارچه یا لوله فولادی معمولی چگونه متفاوت است؟

پاسخ: ماهیت ترکیبی لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم یک رژیم بازرسی دو لایه و تضمین کیفیت (QA) را تحمیل می‌کند که به طور قابل‌توجهی پیچیده‌تر از تیتانیوم یکپارچه یا لوله فولادی معمولی است. برنامه های QA باید به یکپارچگی سه عنصر متمایز بپردازند: لایه ساختاری فولادی، سد خوردگی تیتانیوم، و پیوند متالورژیکی بین آنها.

گواهی مواد اولیه:هر صفحه روکش دار یا سیم پیچ باید با گزارش های آزمایش آسیاب تایید شده (MTRs) همراه باشد که هم اجزای تیتانیوم و هم فولاد را مستند می کند. برای مواد باند انفجاری{1}}، آزمایش تکمیلی شامل بررسی اولتراسونیک رابط اتصال بر اساس ASTM A578 یا استانداردهای مشابه است، با معیارهای پذیرش که مستلزم تداوم پیوند کامل است (هیچ ناحیه غیرپیوندی بیش از ابعاد مشخص شده). آزمایش استحکام برشی-معمولاً در ASTM A264-تأیید می‌کند که اتصال حداقل الزامات را برآورده می‌کند (معمولاً 140 مگاپاسکال برای تیتانیوم/فولاد با اتصال انفجاری).

بازرسی ساخت:در طول شکل دهی و جوشکاری لوله، نقاط بازرسی چند برابر می شود:

تلورانس های ابعادی:هم پوشش فولادی و هم آستر تیتانیوم باید ضخامت دیواره مشخصی را حفظ کنند. ضخامت سنج اولتراسونیک تأیید می کند که ضخامت روکش در محدوده تحمل مجاز باقی می ماند (معمولا -0٪ تا +15٪ از اسمی).

یکپارچگی پیوند:برای کاربردهای حیاتی،-آزمایش اولتراسونیک تمام طول رابط فولاد تیتانیوم- اجباری است. نواحی جدا شده بیش از 1٪ از سطح کل یا هر گونه جدایی بیش از 50 سانتی متر مربع معمولاً باعث رد یا تعمیر می شود.

بازرسی جوش:جوش‌های تیتانیوم به دلیل حساسیت تیتانیوم به آلودگی و فقدان نقص‌های همجوشی، 100% تحت آزمایش رادیوگرافی (RT) یا تست نفوذی (PT) قرار می‌گیرند. جوش‌های فولادی براساس الزامات ASME B31.3، معمولاً با RT یا UT برای کاربردهای فشار{5} مورد بررسی قرار می‌گیرند.

ارسال-تست ساخت:قرقره های لوله تکمیل شده اغلب به آزمایش هیدرواستاتیک در فشار طراحی 1.5× نیاز دارند. در طول آزمایش هیدرولیک، یکپارچگی لاینر تیتانیوم به طور غیرمستقیم از طریق حفظ فشار تأیید می‌شود، اگرچه هرگونه نشتی نشان‌دهنده خرابی سد خوردگی تیتانیوم است-یک نتیجه غیرقابل قبول که معمولاً به جای تعمیر، تعویض قرقره را الزامی می‌کند.

قابلیت ردیابی:ردیابی مواد جامع الزامی است، با اعداد حرارتی برای اجزای تیتانیوم و فولاد که در طول ساخت مستند شده است. برای برنامه های کاربردی تحت کنترل ASME بخش VIII، بخش 1 یا بخش III (هسته ای)، برنامه QA علاوه بر این باید با ASME NQA-1 یا الزامات تضمین کیفیت هسته ای مشابه مطابقت داشته باشد.

اثر تجمعی این الزامات بازرسی و QA این است که هزینه‌های ساخت لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم می‌تواند از هزینه‌های لوله فولادی کربن معادل با ضریب 3-5 بیشتر شود. با این حال، برای سرویس خوردگی حیاتی، سرمایه‌گذاری با اطمینان از یکپارچگی بلندمدت-توجیه می‌شود، الزامی که در پذیرش محافظه‌کارانه صنعت از پروتکل‌های بازرسی منعکس می‌شود که عملاً هیچ حالت خرابی بدون توجه باقی نمی‌گذارد.

5. س: لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم در کدام کاربردهای صنعتی قانع کننده ترین ارزش پیشنهادی را نسبت به جایگزین هایی مانند تیتانیوم جامد،-فولاد زنگ نزن با آلیاژ بالا، و لوله کشی غیر فلزی- ارائه می دهد؟

پاسخ: ارزش پیشنهادی لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم در کاربردهایی که سه شرایط همگرا هستند، قانع کننده‌تر است: محیط‌های خورنده تهاجمی، دما یا فشار بالا، و سیستم‌های لوله‌کشی با قطر یا طول بزرگ-. در این سناریوها، ساختار هیبریدی عملکرد خوردگی نزدیک به تیتانیوم جامد را با کسری از هزینه نصب ارائه می دهد.

سیستم های خنک کننده آب دریا در تولید برق:نیروگاه های هسته ای و حرارتی ساحلی از حجم عظیمی از آب دریا برای خنک سازی کندانسور استفاده می کنند. تیتانیوم-لوله فولادی روکش شده-معمولاً تیتانیوم درجه 2 بر فولاد کربنی-به استاندارد مرجع برای سیستم‌های آب در گردش (CWS) و سازه‌های ورودی تبدیل شده است. در مقایسه با فولاد روکش لاستیکی (که از خرابی لاینر رنج می‌برد)، FRP (که مقاومت در برابر آتش محدود و استحکام مکانیکی پایین‌تری دارد)، و فولادهای زنگ نزن آلیاژی بالا (مستعد به خوردگی شکاف در آب گرم دریا)، فولاد روکش تیتانیوم با حداقل تعمیر و نگهداری بیش از 40 سال عمر مفیدی را ارائه می‌دهد. برای کارخانه‌هایی با لوله‌های ورودی با قطر 72{12}}اینچ که صدها متر از ساحل امتداد می‌یابند، مزیت هزینه نسبت به تیتانیوم جامد به طور قابل‌توجهی ۶۰ تا ۷۰ درصد کمتر از نظر هزینه مواد است.

تولید نفت و گاز فراساحلی:در لوله‌کشی از بالا، خطوط جریان زیر دریا، و بالابرها که خدمات آب یا ترش تولید شده (حاوی H2S و CO2) را انجام می‌دهند، فولاد روکش شده تیتانیوم ترکیبی منحصر به فرد از مقاومت در برابر خوردگی و استحکام ساختاری را ارائه می‌کند. روکش تیتانیوم Gr5 (Ti-6Al-4V) گاهی اوقات به دلیل مقاومت در برابر فرسایش برتر در آب تولید شده با ماسه مشخص می‌شود، در حالی که پشتی فولاد کربنی استحکام لازم برای مهار فشار آب عمیق را فراهم می‌کند. جایگزین‌هایی مانند آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی جامد (CRAs){11}}اینکونل 625 یا فولاد ضد زنگ فوق{12}دوبلکس بسیار گران‌تر هستند و پیچیدگی‌های جوشکاری قابل مقایسه با لوله‌های روکش دار دارند، در حالی که محلول‌های غیرفلزی فاقد ظرفیت ساختاری برای خدمات دینامیکی آب‌های عمیق هستند.

سیستم های گوگرد زدایی گاز دودکش (FGD):نیروگاه‌ها و تأسیسات صنعتی{0}}که با زغال‌سنگ کار می‌کنند از اسکرابرهای FGD برای حذف دی اکسید گوگرد از گازهای دودکش استفاده می‌کنند. محیط حاصل از-کلریدهای بالا، PH پایین، و دماهای چرخشی از محیط به 150 درجه - از جمله خورنده‌ترین محیط‌ها در پردازش صنعتی است. پشته‌های فولادی، کانال‌ها، و مخازن جاذب با پوشش تیتانیوم{6} دارای فولاد کربنی با روکش لاستیکی (که از تخریب حرارتی رنج می‌برد) و آلیاژهای نیکل بالا (که برای نصب‌های مقیاس بزرگ هزینه-هزینه دارند)-را جابجا کرده‌اند. لایه تیتانیوم هم در برابر خوردگی عمومی و هم در برابر حمله موضعی مقاومت می کند، در حالی که پشتی فولادی بارهای ساختاری پشته های بلند و کانال های{12}}قطر بزرگ را کنترل می کند.

پردازش شیمیایی:در کارخانه‌های کلر-قلیایی، لوله‌های فولادی با روکش تیتانیوم-با گاز کلر مرطوب، آب نمک و محلول‌های سوزاننده-محیط‌هایی که حتی فولادهای زنگ نزن درجه{{3}بالا نیز به سرعت از بین می‌روند، کنترل می‌شود. به طور مشابه، در تولید اسید آلی (به عنوان مثال، اسید ترفتالیک)، فولاد روکش شده تیتانیوم در مقایسه با زیرکونیوم یا تانتالیوم با هزینه بسیار پایین‌تری نسبت به خوردگی ناشی از برمید مقاومت برتری دارد.

در هر یک از این کاربردها، انتخاب لوله فولادی جوش داده شده با آلیاژ تیتانیوم از طریق تجزیه و تحلیل هزینه چرخه عمر (LCCA) توجیه می شود که هزینه های اولیه مواد و ساخت، فواصل نگهداری پیش بینی شده و عمر مفید پیش بینی شده را محاسبه می کند. در حالی که هزینه سرمایه اولیه با حاشیه وسیعی از فولاد معمولی فراتر می رود، حذف امتیازات خوردگی، جایگزینی پوشش و زمان توقف برنامه ریزی نشده منجر به کل هزینه های مالکیت می شود که به طور معمول به نفع راه حل روکش دار در یک افق عملیاتی 20 تا 30 ساله است.