**25% 塩化マグネシウム + 5% 塩化カルシウムカリ塩水中で 85 度を維持するために使用されるグレード 7 チタン浸漬ヒーターでは、チューブの残留応力レベル (-溶接対 550 度で 2 時間の応力緩和-) は、熱の影響を受けた部分での塩化物-誘起応力腐食割れの頻度とどのように相関しますか-。ゾーン?**
グレード 7 チタン (Ti-0.15% Pd) 浸漬ヒーターは、85 度で 25% の塩化マグネシウム (MgCl₂) と 5% の塩化カルシウム (CaCl₂) を含む塩水のカリ処理に広く使用されています。高濃度の塩化物溶液は中程度の腐食性がありますが、グレード 7 チタンはパラジウムの添加により通常の条件下で安定した不動態皮膜を維持します。ただし、ヒーター チューブの溶接接合部で特定の故障メカニズムが発生します。溶接による熱影響部 (HAZ) には、熱収縮と相変態による残留引張応力が含まれています。高温の塩化物溶液では、これらの残留応力が塩化物イオンと結合して応力腐食割れ (SCC) が発生します。亀裂の発生頻度は、HAZ の残留引張応力の大きさと直接相関します。 -溶接されたチューブは重大な残留応力（150 ～ 250 MPa）を保持し、1000 ～ 2000 時間以内に亀裂が発生します。 550 度で 2 時間かけて応力を緩和したチューブ-の残留応力は 30 ～ 60 MPa に減少し、8000 時間を超えても亀裂のない状態で使用できます-。この相関関係を理解することで、エンジニアは、グレード 7 チタンの強化された耐性を備えた場合でも、塩化物塩水中で信頼性の高いサービスを提供するための適切な溶接後の熱処理を指定することができます。
**塩化物-チタン HAZ で SCC が誘発されるメカニズム**
塩化物-によって引き起こされるチタンの SCC は、膜の破壊メカニズムを通じて発生します。-不動態 TiO2 膜は、残留引張応力が最も高い HAZ で局所的に破壊されます。露出した金属表面では、塩化物イオンが吸着し、粒界に沿って陽極溶解を促進します。亀裂先端での応力集中により溶解が促進されますが、高い塩化物濃度により再不動態化が妨げられます。溶接されたチタンの HAZ は、粗大なアルファ粒子を含む変態した微細構造を持ち、冷却速度によってはベータ相またはマルテンサイトが発生する可能性があります。この微細構造は、内部応力が高く、粒界領域が多いため、母材金属よりも SCC の影響を受けやすくなっています。高温 MgCl₂ ブライン中のグレード 7 チタンの SCC 開始の閾値応力は約 100 ～ 120 MPa で、パラジウムの添加によりグレード 2 (80 ～ 100 MPa) よりわずかに高くなります。このしきい値を下回ると、露出時間に関係なく SCC は発生しません。 -溶接されたチューブはこのしきい値を超えますが、応力が緩和されたチューブは-このしきい値を下回ります。
**残留応力と SCC 頻度との定量的相関関係**
85 度で 25% MgCl₂、5% CaCl₂ に浸漬した自生 TIG 溶接（完全溶込み、フィラーなし）を備えたグレード 7 チタン チューブ（外径 12 mm、肉厚 1.2 mm）を使用し、さまざまな溶接後熱処理を行った制御テストでは、5000 時間後の次の SCC 挙動が報告されています。-
| -溶接後処理|HAZ 残留応力 (MPa) |最初のクラックまでの時間 (時間) |亀裂密度 (溶接部 1 cm あたりの亀裂)|5000h後の最大亀裂深さ (mm)|SCC 周波数の低減 |
|---------------------|------------------------------|----------------------------|---------------------------------------|--------------------------------------|-------------------------|
| -溶接のまま（処理なし）|180 – 240|800 – 1,200|4 – 8|0.25 – 0.40 |ベースライン |
|低温ストレス緩和（300 度、2 時間） |- 130 – 170|1,200 – 1,800|3 – 6|0.15 – 0.30|35 – 45% |
|標準ストレスリリーフ（480度、2時間）|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% |
データは明らかな閾値効果を示しています。 -残留応力が 180 MPa を超えるグレード 7 の溶接チューブは、800 ～ 1,200 時間以内に亀裂が発生します。パラジウムの保護効果により、グレード 2 (300 ～ 500 時間) よりも大幅に遅くなります。 550 度で 2 時間の応力除去により、残留応力が 100 ～ 120 MPa のしきい値を下回る 30 ～ 60 MPa に減少し、SCC が少なくとも 10,000 時間除去されます。
**グレード 7 チタンの応力除去温度は 550 度が最適である理由**
グレード 7 チタンの応力除去には、変形領域の再結晶化閾値を超え、ベータ トランザス (約 880 ～ 900 度) 未満の温度が必要です。 550 度での回復プロセスでは、再結晶化せずに転位消滅によって残留応力が減少します。パラジウムを添加しても最適応力除去温度は大きく変わりません。 2 時間の保持時間により、HAZ 全体で均一な応力低減が保証されます。より低い温度 (480 度) では部分的な応力は緩和されますが、グレード 7 の SCC 閾値 (100 ～ 120 MPa) に近い 70 ～ 100 MPa の残留応力が残ります。より高い温度 (650 度) では、より完全な応力除去が可能になりますが、粒子の成長が発生し、機械的強度が低下する可能性があります。 550 度、2 時間の処理により、強度や延性を損なうことなく、応力を最適なバランスで軽減します。
**シナリオ-ベースの選択ガイド: カリブラインヒーターのストレス軽減**
|動作状態 |塩化物濃度 |温度|-溶接後の処理が必要 |予想される SCC-自由寿命 (時間) |エンジニアリング上の正当性 |
|--------------------|----------------------|-------------|------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Continuous potash processing, 8000-hour campaign | 25% MgCl₂ + 5% CaCl₂ | 85°C | Stress relief at 550°C, 2 hours | >10,000 |ストレスを閾値以下に低減することで SCC を排除 |
|間欠運転（<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 |
|低温 (70 度、刺激性が低い)|25% MgCl₂ + 5% CaCl₂|70度|480度、2時間でストレスを軽減|5,000 – 7,000 |温度が低下すると、SCC しきい値が増加します。
| Higher chloride concentration (>30% MgCl₂) | >30% MgCl₂ | 85°C | Stress relief at 550°C + peening | >10,000 |最大限の信頼性を実現する複合治療 |
|溶接後の熱処理は不可能 |{0}}任意 |任意|-溶接されたまま（亀裂のリスクを受け入れる）|800 – 1,200 |一時的なサービスのみに対応 |
**溶接後の熱処理に関する実際的な考慮事項**
チタンヒーターコイルの応力を軽減するには、慎重な炉制御が必要です。 550 度の処理は、たるみを防ぐためにコイルを支えた状態で空気炉内で実行する必要があります。温度勾配を最小限に抑えるために、加熱速度は 100 度/時間に制限する必要があります。 550 度で 2- 時間保持した後、空冷します (焼き入れではありません)。複数の溶接があるコイルの場合、すべての溶接が完了した後、アセンブリ全体の応力を解放する必要があります。熱処理により製造コストは約 10 ～ 15% 増加しますが、耐用年数は 1,200 時間未満から 10,000 時間以上に延長されます。これは、連続カリ運転の説得力のある経済的正当化です。
**結論**
85 度の 25% 塩化マグネシウム、5% 塩化カルシウムカリ塩水中のグレード 7 チタン浸漬ヒーターの場合、チューブの HAZ 残留応力レベルは塩化物-によって引き起こされる SCC 頻度と直接相関します。 -残留応力が 180 ～ 240 MPa の溶接された管は、800 ～ 1,200 時間以内に亀裂が発生します（パラジウムの保護効果により、グレード 2 に比べて遅れます）。 550 度で 2 時間の応力除去により、残留応力が 100 ～ 120 MPa の SCC 閾値を下回る 30 ～ 60 MPa に減少し、10,000 時間を超えても亀裂のないサービスが提供されます。-カリ処理用にグレード 7 チタン ヒーターを指定するエンジニアは、ブラインにさらされるすべての溶接継手の必須仕様として、550 度で 2 時間の溶接後の応力除去を要求する必要があります。-この熱処理仕様により、カリブラインヒーター用途における主な故障モードが排除されます。
