Et titanrør er aldri bare "et rør". Samme nominelle størrelse og kvalitet kan leveres i flere metallurgiske tilstander, og staten bestemmer flytegrensen, duktiliteten, sveisbarheten og korrosjonsadferden langt mer enn kjemien alene gjør. Kjøpere som spesifiserer kun en ytre diameter og en veggtykkelse får ofte et produkt som er dimensjonalt riktig, men metallurgisk feil for plikten. Tilstandene beskrevet nedenfor dekker det store flertallet av bestillinger av varmevekslere, kondensatorer og prosessrør.
Utglødd tilstand
Fullt utglødd rør er standard forsyningsbetingelse for kommersielt rent titan. Kaldbearbeiding under rørreduksjon etterfølges av en gløding som rekrystalliserer strukturen, fjerner arbeidsherding og gjenoppretter duktiliteten. Resultatet er et rør med moderat styrke, utmerket formbarhet og forutsigbar oppførsel ved sveising, som er grunnen til at glødet materiale dominerer kondensator- og varmevekslerservice i mildt etsende kjølevann. Spenningsavlastet-rør sitter mellom den kaldbearbeidede og den fullstendig glødede tilstanden: nok gløding til å slappe av gjenværende spenning og forbedre dimensjonsstabiliteten, men ikke nok til å fullføre rekrystalliseringen, så en nyttig del av kaldarbeidsstyrken beholdes.
Kaldarbeidet tilstand
Kaldt bearbeidet rør leveres uten full rekrystalliseringsgløding og har derfor høyere styrke på bekostning av duktilitet. Den brukes der røret må motstå et spesifikt trykk eller vibrasjonsbelastning og hvor bøynings- og faklingskrav er beskjedne. Ulempen er at restspenning gjør røret mer følsomt for spenningskorrosjonssprekker i visse miljøer, og enhver påfølgende sveiseoperasjon utgløder delvis den varmepåvirkede sonen og skaper en styrkediskontinuitet som det må tas hensyn til i design.
Superplastisk og fin-korntilstand
Når titan bearbeides til en fin, likeakset kornstruktur, typisk i området noen få mikrometer, utvikler det glødede materialet superplastisk oppførsel: det kan strekkes med flere hundre prosent ved forhøyet temperatur uten innhaling eller brudd. For titanrør er denne tilstanden verdifull på to måter. Det gjør det mulig å utføre komplekse formingsoperasjoner i ett enkelt trinn ved relativt lavt formingstrykk, og det gir et tøft, skade-tolerant produkt som motstår sprekkdannelse under høy belastningshastighet, noe som gjør det attraktivt som varmevekslermateriale i krevende bruk. Superplastisk forming av alfa-beta titanlegeringer som Ti-6Al-4V utføres normalt i området på omtrent 870-950 grader ved lave tøyningshastigheter.
Nedbørsherdet tilstand
Nedbørsherding, også kalt aldring, gjelder titanlegeringer som reagerer på en løsningsbehandling etterfulgt av en aldringsbehandling. Røret er løsningsbehandlet ved høy temperatur, bråkjølt og deretter eldet ved lavere temperatur slik at fine sekundære faser utfelles i strukturen. Det gamle røret har høy styrke og hardhet ved romtemperatur og beholder nyttig styrke ved forhøyet temperatur, og derfor velges nedbørsherdet produkt for varmevekslere som opererer under strenge kombinasjoner av høy temperatur og høyt trykk. Typiske aldringsbehandlinger for alfa-beta og beta titanlegeringer faller i området rundt 480-540 grader, med tid og temperatur valgt for å balansere styrke mot duktilitet.
Alfa-, alfa--beta- og betastrukturer
Tilstanden til et titanrør er nært knyttet til fasestrukturen. Alfa-legeringer, inkludert kommersielt rene kvaliteter og palladium- eller molybden-stabilisert korrosjonskvalitet, er enfasede, lett sveisbare og moderat sterke. Alfa-beta-legeringer som Ti-6Al-4V inneholder begge faser: de tilbyr middels til høy styrke, god plastisitet og god sveiseytelse og er mye brukt for varmevekslere ved middels temperatur. Beta-legeringer kan eldes til svært høy styrke, men trenger strengere prosesskontroll og er mindre vanlige i rørform for generell varmeveksling.
Velge en stat for plikten
Utvelgelsen starter fra tjenestebetingelsene snarere enn fra en foretrukket karakter. En varmeveksler i alvorlig høy temperatur og høytrykkstjeneste krever nedbørsherdet produkt; en applikasjon som avhenger av formbarhet, slagfasthet eller sveisbarhet krever glødet eller superplastisk materiale; et rør som må bære en høy statisk belastning uten en termisk belastning kan rettferdiggjøre en kaldbearbeidet tilstand. Andre parametere må da kontrolleres sammen med tilstanden: materialkjemi og kvalitet, rørdimensjoner og toleranser, overflatetilstand, testtrykk og sveiseprosedyren som skal brukes i fabrikasjonen.
Behandlingens innflytelse på staten
Staten skapes av behandlingsveien, ikke av ordlyden alene. Kuldreduksjonsforhold, glødetemperatur og tid, kjølehastighet, retting og den endelige overflatebehandlingen endrer alle de leverte egenskapene. En endring av rørmølle, en endring i reduksjonssekvens eller en endring av glødeovnsbelastning kan flytte et produkt ut av den tilstanden som opprinnelig var kvalifisert. Dette er grunnen til at en statlig spesifikasjon alltid bør knyttes til den refererte produktstandarden, oftest ASTM B338 for sveisede og sømløse titanrør for kondensatorer og varmevekslere, eller ASTM B861 for sømløse titanrør, sammen med de mekaniske testkravene disse standardene pålegger.
Typiske stater og deres applikasjoner
| Tilstand | Typiske egenskaper | Typisk bruk |
|---|---|---|
| Glødet | God duktilitet og sveisbarhet, moderat styrke | Kondensatorer og varmevekslere, generelt prosessrør |
| Stress lettet | Redusert restspenning, en del av kaldarbeidsstyrken beholdt | Dimensjonsstabilt rør, moderat forming |
| Kaldt jobbet | Høyere styrke, lavere duktilitet, høyere restspenning | Trykk- og vibrasjonsoppgaver med begrenset forming |
| Superplastisk finkornet | Meget høy forlengelse ved forhøyet temperatur, seig | Kompleks forming, varmeveksling med høy belastning |
| Nedbør herdet | Høy styrke og hardhet, nyttig varm styrke | Alvorlig høy temperatur og høyt trykk vekslere |
| Alfa-betastruktur | Middels til høy styrke, god plastisitet, sveisbar | Middels temperatur varmevekslere og prosessrør |
Minimumskrav til strekkstyrke varierer mye mellom kvaliteter under samme standard, fra omtrent 240 MPa for Grade 1 kommersielt rent materiale til rundt 895 MPa for Grade 5 titanlegering, og det er grunnen til at karakteren og staten alltid må spesifiseres sammen.
Ofte stilte spørsmål
Spørsmål: Hva beskriver egentlig "tilstanden" til et titanrør?
Den beskriver den metallurgiske tilstanden som produseres av de siste prosesstrinnene, som dekker rekrystallisering, gjenværende spenning, fasestruktur og kornstørrelse, og den setter levert styrke og duktilitet.
Spørsmål: Hvilken tilstand er best for en sjøvannskjølt kondensator?
Fullt glødet kommersielt rent rør, eller en glødet korrosjons-bestandig kvalitet, kombinerer sveisbarheten og duktiliteten som kreves for fabrikasjon av rør-til-rørplate med tilstrekkelig korrosjonsytelse.
Spørsmål: Når bør nedbørsherdet titanrør velges?
Når veksleren opererer under alvorlige høytemperatur- og høytrykksforhold, hvor romtemperaturstyrke og bevaring av hardhet ved temperatur begge er kritiske.
Spørsmål: Hvorfor er superplastisk titanrør lettere å forme?
En fin, likeakset kornstruktur lar det glødede materialet strekke seg med flere hundre prosent ved forhøyet temperatur uten innsnevring, slik at komplekse former kan dannes i færre operasjoner.
Spørsmål: Forbedrer kaldarbeid titanrør for hver bruk?
Nei. Kaldt bearbeidet rør er sterkere, men mindre duktilt og mer utsatt for spenningskorrosjonssprekker, og sveising utgløder delvis den varmepåvirkede sonen.
Spørsmål: Hvorfor kan samme karakter komme med forskjellige egenskaper fra forskjellige fabrikker?
Fordi kuldreduksjonsforhold, glødingssyklus, kjølehastighet og retting alle former den endelige tilstanden, så tilstanden må knyttes til den refererte standarden og dens mekaniske tester.
