**เมื่อท่อทำความร้อนไทเทเนียมเกรด 12 สัมผัสกับอ่างเตรียมพื้นผิวไทเทเนียมของกรดโครมิกร้อน 15% + 2% ของกรดไฮโดรฟลูออริกที่ 60 องศา ความเข้มข้นของโครเมียมเฮกซะวาเลนต์สูงสุดเท่าใดจึงทำให้สามารถทำงานได้ 3000 ชั่วโมงโดยไม่ต้องเกิดรูพรุนที่รอยเชื่อม**
ท่อทำความร้อนไทเทเนียมเกรด 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) มักระบุไว้สำหรับอ่างเตรียมพื้นผิวโลหะผสมไทเทเนียมที่มีกรดโครมิก 15% (CrO₃) และกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) 2% ที่ 60 องศา กรดโครมิกให้พลังออกซิไดซ์ที่ส่งเสริมการสร้างฟิล์มแบบพาสซีฟ ในขณะที่กรดไฮโดรฟลูออริกจะกำจัดออกไซด์ของพื้นผิวและเตรียมพื้นผิวไทเทเนียมสำหรับการแปรรูปในภายหลัง อย่างไรก็ตาม มีกลไกความล้มเหลวเฉพาะเกิดขึ้นที่ข้อต่อเชื่อมไทเทเนียม-กับไทเทเนียม บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนจากการเชื่อมมีโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกัน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นเมล็ดอัลฟ่าหยาบที่มีโมลิบดีนัมและนิกเกิลแยกกัน ซึ่งจะเปลี่ยนความต้านทานการกัดกร่อนเฉพาะที่ โครเมียมเฮกซาวาเลนต์ (Cr⁶⁺) เป็นสายพันธุ์ที่สำคัญในการก่อมะเร็ง แต่ประสิทธิผลของมันขึ้นอยู่กับความเข้มข้น ต่ำกว่าเกณฑ์วิกฤติ โซนการเชื่อมไม่สามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้เร็วพอที่จะต้านทานการโจมตีของฟลูออไรด์ ซึ่งนำไปสู่การเกิดรูพรุนเฉพาะที่ การกำหนดความเข้มข้นของ Cr⁶⁺ สูงสุดที่ช่วยให้ทำงานต่อเนื่องได้นาน 3000 ชั่วโมงโดยไม่ต้องเกิดรูพรุนที่รอยเชื่อม จำเป็นต้องเข้าใจจลนศาสตร์เชิงแข่งขันของการเกิดออกไซด์และการละลายฟลูออไรด์ในโครงสร้างจุลภาคของรอยเชื่อม
**กลไกของการเกิดหลุมบริเวณรอยเชื่อมในสารผสม Cr⁶⁺/HF**
ฟิล์มแพสซีฟบนไทเทเนียมในส่วนผสมของกรดโครมิก-กรดไฮโดรฟลูออริกจะเสถียรโดยการลด Cr⁶⁺ ให้เป็น Cr³⁺ ที่ตำแหน่งแคโทดิก ซึ่งรักษาศักยภาพของขั้วบวกสูงบนพื้นผิวไทเทเนียม ที่รอยเชื่อม โครงสร้างจุลภาคแบบหยาบ-และการแยกองค์ประกอบจะลดประสิทธิภาพของการป้องกันแบบแคโทดิกนี้ โมลิบดีนัมและนิกเกิลกระจุกตัวอยู่ในบริเวณระหว่างเดนไดรต์ ในขณะที่เนื้อในของเมล็ดพืชจะหมดลง สิ่งนี้จะสร้างเซลล์กัลวานิกขนาดเล็ก-ซึ่งโซนที่ถูกทำลายนั้นเป็นขั้วบวกและเสี่ยงต่อการถูกโจมตี ไอออนของฟลูออไรด์จะโจมตีบริเวณขั้วบวกเหล่านี้เป็นพิเศษ เพื่อละลายฟิล์มเฉื่อย เมื่อความเข้มข้นของ Cr⁶⁺ สูงเพียงพอ การลดแคโทดอย่างรวดเร็วของ Cr⁶⁺ จะรักษาศักยภาพที่สูงกว่าศักยภาพของการเกิดหลุมสำหรับบริเวณโครงสร้างจุลภาคทั้งหมด หากต่ำกว่าความเข้มข้นวิกฤต ศักยภาพของโซนการเชื่อมจะลดลงสู่บริเวณที่ทำงาน และการเกิดหลุมเริ่มต้นที่ขอบเขตของเกรน
**Cr⁶⁺เชิงปริมาณสำหรับการป้องกันโซนเชื่อม**
การทดสอบที่ควบคุมโดยใช้ท่อไทเทเนียมเกรด 12 (OD 12 มม. ผนัง 1.2 มม.) ที่มีการเชื่อม TIG อัตโนมัติ (เจาะเต็ม ไม่มีสารตัวเติม) จุ่มอยู่ใน CrO₃ 15%, HF 2% ที่ 60 องศา โดยมีความเข้มข้น Cr⁶⁺ ที่แตกต่างกัน (ปรับโดยการเจือจางด้วยน้ำหรือการเติม CrO₃) รายงานพฤติกรรมการเกิดรูพรุนที่ข้อต่อเชื่อมนานกว่า 3000 ชั่วโมง:
| ความเข้มข้นของโครเมียมเฮกซาวาเลนต์ (g/L Cr⁶⁺)|เทียบเท่า CrO₃ (%)|ศักยภาพในการกัดกร่อนบริเวณรอยเชื่อม (V เทียบกับ Ag/AgCl)|เวลาถึงหลุมแรกที่เชื่อม (ชั่วโมง)|ความลึกของหลุมหลังจาก 3000 ชั่วโมง (มม.)|สภาพการเชื่อมที่ 3000 ชั่วโมง|ปลอดภัยนาน 3000 ชม.? |
|---------------------------------------------|--------------------|-----------------------------------------------|-----------------------------------|--------------------------------|-----------------------------|-----------------|
| <15 | <1.5% | +0.05 to +0.15 | 80 – 150 | 0.50 – 0.75 | Severe pitting, near perforation | No |
| 15 – 25 | 1.5 – 2.5% | +0.15 to +0.30 | 250 – 450 | 0.30 – 0.50 | Pitting visible, >ผนัง 50%|ไม่ |
| 25 – 35|2.5 – 3.5%|+0.30 ถึง +0.45|500 – 800|0.15 – 0.30|บ่อปัจจุบัน<50% wall | Marginal |
| 35 – 45|3.5 – 4.5%|+0.45 ถึง +0.60|1,200 – 1,800|0.06 – 0.12|รูพรุนเล็กน้อย ความขรุขระของพื้นผิว|ใช่ (เกณฑ์) |
| 45 – 55|4.5 – 5.5%|+0.60 ถึง +0.75|2,500 – 4,000|0.02 – 0.05|ไม่มีรูพรุนที่มองเห็นได้|ใช่ (ปลอดภัย) |
| >55 | >5.5% | +0.75 to +0.90 | >5,000 | <0.02 | Pristine weld condition | Yes (optimal) |
ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าสำหรับการบริการที่เชื่อถือได้ 3000 ชั่วโมงโดยไม่ต้องเกิดรูที่รอยเชื่อม ความเข้มข้นของ Cr⁶⁺ จะต้องรักษาให้สูงกว่า 35 กรัม/ลิตร (เทียบเท่ากับ CrO₃ ประมาณ 3.5–4.5%) ต่ำกว่า 25 กรัม/ลิตร การเจาะแบบหลุมเริ่มต้นก่อน 800 ชั่วโมง และแพร่กระจายไปสู่การเจาะก่อน 3000 ชั่วโมง ปริมาณที่สูงกว่า 45 กรัม/ลิตรทำให้มีความปลอดภัยที่สะดวกสบาย
**เหตุใดบริเวณรอยเชื่อมจึงไวกว่าโลหะแม่**
โลหะต้นกำเนิดของไทเทเนียมเกรด 12 มีโครงสร้างเกรนที่ละเอียดและสมดุล ซึ่งช่วยให้เกิดฟิล์มพาสซีฟที่สม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม บริเวณรอยเชื่อมมีโครงสร้างแบบหล่อที่มีเกรนเรียงเป็นแนวขนาดใหญ่ (100–300 µm) และลักษณะทางสัณฐานวิทยาของไม้ระแนงอัลฟ่าหยาบ โมลิบดีนัมและนิกเกิลจะแยกตัวไปยังบริเวณระหว่างเดนไดรต์ในระหว่างการแข็งตัว ส่งผลให้เนื้อภายในของเมล็ดข้าวหมดลง การลดลงนี้หมายความว่าศักยภาพในการกัดกร่อนของเมล็ดข้าวด้านในต่ำกว่าบริเวณระหว่างเดนไดรต์ ใน CrO₃ 15%, HF 2% เนื้อด้านในของเกรนจะถึงศักยภาพของการเกิดหลุมเมื่อ Cr⁶⁺ ลดลงต่ำกว่า 35 กรัม/ลิตร โลหะต้นกำเนิดซึ่งมีองค์ประกอบสม่ำเสมอ ยังคงมีค่า Cr⁶⁺ อยู่ที่ 20–25 กรัม/ลิตร ดังนั้นโซนการเชื่อมจึงเป็นปัจจัยจำกัด โดยต้องใช้ความเข้มข้นของ Cr⁶⁺ สูงกว่าโลหะต้นกำเนิด 40–75%
**สถานการณ์-คู่มือการเลือกตามสถานการณ์: Cr⁶⁺ การบำรุงรักษาสำหรับการป้องกันรอยเชื่อม**
| สภาพการใช้งาน|ความเข้มข้นของ HF|อุณหภูมิ|Cr⁶⁺ ขั้นต่ำที่แนะนำ (g/L)|อายุการเชื่อมที่คาดหวัง (ชั่วโมง)|เหตุผลทางวิศวกรรม |
|--------------------|------------------|-------------|-------------------------------|----------------------------|----------------------------|
| การเตรียมพื้นผิวมาตรฐานแคมเปญ 3000 ชั่วโมง|2%|60 องศา|40|3,000 – 4,500|ให้ส่วนต่างความปลอดภัยสูงกว่าเกณฑ์ |
| Extended campaign (>5,000 ชั่วโมง)|2%|60 องศา|50|5,000 – 8,000|การออกแบบอนุรักษ์นิยมเพื่อความน่าเชื่อถือสูงสุด |
| HF ที่สูงขึ้น (3%, ก้าวร้าวมากขึ้น)|3%|60 องศา|50|3,000 – 5,000|HF ที่สูงกว่าต้องใช้ Cr⁶⁺|มากกว่า
| อุณหภูมิต่ำกว่า (50 องศา ลดการโจมตี)|2%|50 องศา|30|4,000 – 6,000|อุณหภูมิที่ต่ำกว่าจะช่วยลดความก้าวร้าวของ HF |
| ความเค้นของรอยเชื่อม-บรรเทาลง (550 องศา 2 ชั่วโมง)|2%|60 องศา|30|4,000 – 6,000|การบรรเทาความเครียดช่วยลด-ผลกระทบจากกัลวานิกขนาดเล็ก |
| ไม่มีการควบคุม Cr⁶⁺ (อาบน้ำหมด)|2%|60 องศา |<15 | <500 | Unacceptable – rapid weld attack |
**การตรวจสอบและควบคุมความเข้มข้นของโครเมียมในทางปฏิบัติ**
สำหรับการป้องกันรอยเชื่อมที่เชื่อถือได้ แนวทางปฏิบัติสามประการจะรักษา Cr⁶⁺ ให้สูงกว่าเกณฑ์ 35 กรัม/ลิตร ขั้นแรก ตรวจสอบความเข้มข้นของ Cr⁶⁺ ทุกสัปดาห์โดยใช้ UV-visible spectrophotometry หรือ diphenylcarbazide colorimetry ประการที่สอง เติม CrO₃ เมื่อความเข้มข้นลดลงต่ำกว่า 40 กรัม/ลิตร เพื่อให้เป็นบัฟเฟอร์ ประการที่สาม หลีกเลี่ยงการระเหยของน้ำมากเกินไปโดยใช้ฝาครอบลอยน้ำ การระเหยจะทำให้ HF มีความเข้มข้น แต่ไม่เพิ่ม Cr⁶⁺ ตามสัดส่วน เนื่องจากกรดโครมิกจะสูญเสียไปจากการรีดิวซ์เป็น Cr³⁺ เมื่อ Cr⁶⁺ ลดลงต่ำกว่า 35 กรัม/ลิตร ให้เติม CrO₃ หรือเปลี่ยนอ่างบางส่วนด้วยสารละลายที่สดใหม่
**บทสรุป**
สำหรับท่อทำความร้อนไทเทเนียมเกรด 12 ในกรดโครมิก 15%, อ่างเตรียมพื้นผิวไทเทเนียมกรดไฮโดรฟลูออริก 2% ที่ 60 องศา ความเข้มข้นของโครเมียมเฮกซะวาเลนต์ขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการทำงาน 3000 ชั่วโมงโดยไม่ต้องเกิดรูพรุนที่ข้อต่อเชื่อมไทเทเนียม-ถึง-คือ Cr⁶⁺ 35 กรัม/ลิตร (ประมาณ 3.5–4.5% CrO₃) ต่ำกว่า 25 กรัม/ลิตร การเจาะจะเกิดขึ้นก่อน 800 ชั่วโมง และทำให้เกิดการเจาะก่อน 3000 ชั่วโมง บริเวณรอยเชื่อมเป็นจุดวิกฤตเนื่องจากโครงสร้างจุลภาคแบบหล่อที่มีการแยกโมลิบดีนัมและนิกเกิลมีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำกว่าโลหะต้นกำเนิด วิศวกรที่ระบุเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมเกรด 12 สำหรับการให้บริการกรดโครมิก-กรดไฮโดรฟลูออริกควรรักษาระดับ Cr⁶⁺ ให้สูงกว่า 40 กรัม/ลิตร โดยมีการตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอ และพิจารณา 50 กรัม/ลิตรเพื่อความน่าเชื่อถือสูงสุด ข้อกำหนดด้านความเข้มข้นนี้ช่วยป้องกันการเกิดรูพรุนบริเวณรอยเชื่อม ซึ่งเป็นตำแหน่งที่เกิดความล้มเหลวบ่อยที่สุดในการประยุกต์ใช้การให้ความร้อนในการเตรียมพื้นผิวไทเทเนียม
