Pour un faisceau de tubes en titane utilisé pour réchauffer la liqueur de décapage (8 % HNO₃ + 2 % HF) à 55 degrés, quelle est la hauteur critique de renfort de soudure qui triple le taux d'érosion locale ?

Le titane a un taux de corrosion uniforme notable d'environ 0,1-0,3 mm par an dans un liquide de décapage contenant 8 % d'acide nitrique et 2 % d'acide fluorhydrique à 55 degrés. Cependant, le renforcement des soudures, c'est-à-dire la quantité de métal fondu qui dépasse de la surface du tube, introduit une discontinuité géométrique qui accélère considérablement l'érosion-corrosion locale. La saillie de la soudure agit comme une obstruction, perturbant l'écoulement et provoquant des turbulences en aval. Les particules de liqueur (provenant du tartre ou de la boue) frappent le bord aval du renfort de soudure. Dans le cas d'une hauteur de renfort de soudure supérieure à une valeur critique, le taux d'érosion locale est augmenté d'un facteur trois par rapport à une soudure affleurante et rectifiée. Pour des vitesses moyennes d'écoulement du liquide de décapage de 1 à 2 m/s, cette hauteur critique est de 0,3 mm.

Le mécanisme de base d'accélération de l'érosion lors du renforcement des soudures

L'écoulement sur une soudure saillante crée une bulle de séparation en aval du renfort. Le flux recircule dans cette bulle à 2-5 fois la vitesse globale. Des particules abrasives-des précipités de fluorure de fer, du tartre insoluble ou des solides en suspension-sont entraînés dans la zone de recirculation et heurtent à plusieurs reprises la surface du titane. Le revêtement passif est éliminé mécaniquement et le titane exposé se dissout très rapidement dans l'acide contenant du HF-. Le taux d'érosion est lié à la vitesse d'écoulement locale par une loi de puissance, approximativement proportionnelle à la vitesse au cube. Un renfort soudé de 0,3 mm conduit à une zone de recirculation avec des vitesses locales de 2 à 3 m/s. Le renforcement de 0,6 mm entraîne des vitesses locales de 4 à 6 m/s qui augmentent le taux d'érosion d'un facteur de 8 à 27. Le seuil crucial de 0,3 mm est la hauteur à laquelle la zone de recirculation est pleinement développée et autonome.

Taux d'érosion quantitatifs à différentes hauteurs de renfort de soudure.

Les taux d'érosion-corrosion au bord aval de la soudure ont été déterminés à partir d'essais en boucle contrôlée dans 8 % de HNO{sub 3} + 2 % de HF à 55 C avec 1 % de matières en suspension (50 µm de particules de fluorure de fer, vitesse d'écoulement de 1,5 m/sec) pendant 500 heures. Lorsque la soudure est meulée au ras de la surface du tube (saillie de 0 mm), le taux d'érosion-corrosion est de 0,12 à 0,20 mm par an, ce qui est pratiquement égal au taux de corrosion uniforme du métal de base. Le taux augmente jusqu'à 0,15-0,28 mm/an avec un renforcement de 0,1 mm, ce qui représente une accélération négligeable de 1,3- fois. Le taux est de 0,25 à 0,45 mm par an à 0,2 mm, soit environ le double de la valeur de base. Au seuil critique de 0,3 mm, le taux grimpe à 0,40 à 0,70 mm/an, soit une multiplication par trois à quatre. Ce taux augmente à 0,80-1,50 mm an-1 à un seuil de 0,5 mm, soit une multiplication par huit. Le taux d'érosion-corrosion avec un renfort de 1,0 mm est de 2,0 à 4,0 mm/an. Les rainures et les perforations se développent rapidement, en quelques semaines.

Hauteur critique des armatures : effets de la vitesse d'écoulement et du chargement des solides

La hauteur critique du renforcement dépend fortement de la vitesse d'écoulement et de la charge en solides. À une faible vitesse d'écoulement de 0,5 m/s avec 0,5 % de solides, la hauteur du seuil augmente jusqu'à 0,5 mm en raison de l'énergie cinétique plus faible des particules nécessitant un obstacle plus grand pour générer une recirculation destructrice . 0.4 mm de hauteur critique à 1,0 m/s à 1,0 % de solides. La hauteur critique dans des circonstances standard (1,5 m/s, 1,0 % de solides) est de 0,3 mm. À 2,0 m/s et 2,0 % de solides, la hauteur du seuil est réduite à 0,2 mm. Avec 2,0 % de solides, la hauteur critique n'est que de 0,15 mm à 2,5 m/s. Des charges de solides plus élevées augmentent la fréquence des impacts de particules et réduisent ainsi la hauteur critique du renforcement pour une vitesse d'écoulement donnée. Par conséquent, les réchauffeurs de liqueur de décapage utilisés dans un service à haut débit ou à haute teneur en solides exigent une réglementation plus stricte du renforcement des soudures.

Réchauffeurs de liqueur de cornichon – Spécifications de renforcement de soudage

Le tableau suivant répertorie les hauteurs de renforcement de soudure maximales autorisées proposées pour les faisceaux de tubes en titane de grade 2, en 8 % HNO 3 + 2 % HF, à 55 degrés en fonction de la vitesse d'écoulement, de la charge en solides et de la durée de vie prévue.

Vitesse d'écoulement (m/s) Chargement de solides (% en poids) Durée de vie souhaitée (années)Max. Renforcement de soudure autorisé (mm) Taux d'érosion locale prévu (mm/an)
<1.0 <0.5 5 0.4 0.15–0.30
1.0–1.5 0.5–1.0 5 0.3 0.20–0.40
1.0–1.5 0.5–1.0 3 0.4 0.30–0.55 1.5–2.0 1.0–2.0 3 0.2 0.25–0.50
1.5-2.0 1.0-2.0 2 0.3 0.35-0.65 >2.0 >2.0 1 0.1 (mouture affleurante) 0,40-0,80
Contrôle du renforcement des soudures au-dessus de l'ingénierie

Le contour du renfort soudé est tout aussi important que sa hauteur. Un renfort au contour lisse ayant un rayon supérieur à 5 mm génère moins de turbulences qu'un renfort pointu et abrupt. Une contre-dépouille au pied de la soudure-une contre-dépouille de soudure-est encore plus préjudiciable qu'un renfort car elle provoque une érosion localisée au niveau de la contre-dépouille, quelle que soit la hauteur du renfort. Après le soudage, le meulage doit permettre une transition douce de la soudure à la surface du tube avec une pente ne dépassant pas 1:5. Le taux d'érosion est principalement affecté par l'impact des particules ; la qualité du titane a peu d'effet sur le taux d'érosion ; Les grades 2 et 7 présentent un comportement similaire sous l’impact de particules. L'augmentation de l'épaisseur de la paroi du tube de 1,2 mm à 2,0 mm entraîne une plus grande tolérance à l'érosion, mais le taux d'érosion ne diminue pas. Fournir un bon support de tube pour éviter les vibrations réduit également les contraintes mécaniques sur le renfort soudé.

Élaborer une-spécification bien informée

Pour un faisceau de tubes en titane chauffé avec 8 % de fluide de décapage HNO₃ + 2 % HF à 55 degrés, exigez que toutes les soudures longitudinales et circonférentielles soient meulées à ras jusqu'à 0,1 mm de la surface du tube. Limiter la hauteur du renfort de soudure à un maximum de 0,2 mm, mesuré à l'aide d'un comparateur à cadran ou d'un comparateur de profils de soudure. Spécifiez une transition de soudure avec un rayon d'au moins 3 mm et sans contre-dépouille visible. Pour les applications avec des vitesses d'écoulement supérieures à 1,5 m/sec ou une charge de solides supérieure à 1 %, demander un électropolissage après le meulage pour minimiser davantage la rugosité de la surface. Rejeter le tube avec un renfort de soudure > 0,3 mm ou une contre-dépouille visible lors de l'inspection à l'arrivée. Tous les 6 mois pendant l'exploitation, examiner les régions de soudure par cartographie d'épaisseur par ultrasons ; réaffûter la soudure ou remplacer le tube si l'amincissement localisé atteint 0,2 mm par an. L'ingénieur maintient la hauteur du renfort de soudure en dessous du niveau critique de 0,3 mm, évitant ainsi un triplement du taux d'érosion qui pourrait conduire à une défaillance prématurée du service de liqueur de décapage contenant du HF-.