Comment le niveau de contrainte résiduelle (recuit ou tel que -soudé) dans les tubes chauffants en titane de grade 5 influence-t-il la fissuration par corrosion sous contrainte dans le service de HCl méthanolique ?

Le HCl méthanolique (chlorure d'hydrogène dans le méthanol) est utilisé dans la synthèse de produits pharmaceutiques et de produits chimiques spécialisés pour les réactions qui nécessitent des conditions acides anhydres. Les tubes chauffants de ce service en titane grade 5 (Ti-6Al-4V) sont sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC), en particulier lorsque des contraintes résiduelles provenant du soudage ou du formage sont présentes. Le craquage du HCl méthanolique est transgranulaire et se produit rapidement même à température ambiante, tandis que le craquage du chlorure aqueux SCC est intergranulaire. Le recuit pour soulager les contraintes résiduelles augmente considérablement la résistance au SCC. L'effet du niveau de contrainte résiduelle sur le temps nécessaire à l'initiation du SCC est quantifié et des exigences sont établies pour le grade 5 en service avec du HCl méthanolique.

Mécanisme SCC dans le HCl méthanolique
Le titane est vulnérable à un mécanisme de rupture de film-de SCC dans les solutions méthanoliques contenant des ions chlorure. La constante diélectrique du méthanol est faible et son pouvoir solvatant est insuffisant, de sorte que les ions chlorure sont mal protégés. Ils attaquent vigoureusement le film passif aux endroits de tension de traction. Une fois commencées, les fissures se propagent rapidement et dans des circonstances anhydres, la repassivation est évitée. Une teneur en eau supérieure à 1 à 2 % supprime le SCC. Des conditions anhydres sont requises pour plusieurs activités.

Le grade 5 présente une microstructure à deux phases (alpha + bêta) qui conduit à des variations galvaniques entre les phases. Les contraintes de traction résiduelles conduisent à l'ouverture de fractures le long des interfaces alpha-bêta ou à travers les grains alpha. Pour le grade 5, le seuil de contrainte pour le SCC dans 0,1 % de HCl dans le méthanol est d'environ 150 à 200 MPa.

Niveaux de contrainte résiduelle dans les pièces de 5e année
Les contraintes résiduelles sont importantes dans les-tubes de grade 5 soudés :

Zone de soudure GTAW (soudage à l'arc au tungstène sous gaz) : contrainte résiduelle de traction de 200 à 400 MPa (généralement supérieure à la limite d'élasticité localement)

Zone affectée par la chaleur (HAZ) : 150-300 Mpa

Courbure du tube (courbé à froid, tension relâchée) : 100-250 MPa

Tube étiré (pas de détente) : 100 à 200 MPa, longitudinal

Recuit 700-750 degrés. C pendant 1 à 2 heures sous vide ou sous argon entraîne des contraintes résiduelles inférieures à 50 MPa dans l'ensemble du composant. À titre de référence, la limite d'élasticité pour le grade 5 est de 830 à 900 MPa (recuit) ou de 900 à 950 MPa (vieilli), donc 50 MPa ne représentent que 5 à 6 % de la limite d'élasticité.

Temps d'initiation du SCC (HCl méthanolique)
Test d'éprouvettes courbées en U de grade 5 (ASTM G30) dans 1 % de HCl dans du méthanol anhydre à 25 degrés :

Une fois soudé (contrainte résiduelle de 250 à 350 MPa au niveau du pied de soudure) : les fissures apparaissent en 2 à 10 heures. Spécimens fracturés entre 24 et 72 heures. La région la plus vulnérable est la zone de soudure.

Comme-plié (formé à froid, pas de soulagement des contraintes, contrainte résiduelle de 150 à 250 MPa) : des fissures se développent après 10 à 50 heures. Casse entre 100 et 500 heures.

Recuit (contrainte résiduelle<50 MPa): No cracks seen after 1,000 hours in U-bend testing (residual stress removed, bending stress persists). Applied stress (internal pressure, thermal expansion) may still generate SCC during actual service , however the onset time is extended to 500-1,000+ hours

Traitement de surface recuit + compression (grenaillage) : Les contraintes résiduelles de compression (négatives) sont capables d'empêcher complètement la formation de fracture. 2 000 heures, pas de fissures.

Effet du recuit sur d'autres propriétés [12]
Le recuit réduit la résistance du grade 5 : limite d'élasticité de 900 à 950 MPa (vieilli) à 830 à 900 MPa (recuit). Cette réduction est souvent acceptable pour les applications de tubes chauffants car les contraintes de fonctionnement sont modérées (pression interne généralement<20 bar, which corresponds to hoop stress <50 MPa). The benefit of annealing (removal of SCC risk) far overweighs the small loss in strength.

Matrice d'application de grade 5 en HCl méthanolique
État des composants Niveau de contrainte résiduelle (MPa) Temps d'initiation du SCC (0,1 % HCl/MeOH, 25 degrés) Adapté au service
Comme-soudé, aucun soulagement du stress 250-400 2-10 heures. Non
Comme-plié (à froid), pas de soulagement du stress10 à 50 heures 150 à 250 non
Tel que-tube étiré 100-200 50-200 heures Non (marginal pour les lots très courts)
Recuit (700-750 degrés, 1-2 heures)<50 500-1,000+ hrsYes (monitoring)
Recuit + grenaillé Compressif > 2 000 heuresOui (recommandé pour les services importants)
Solution traitée (haute résistance) vieillie Varie (selon la trempe) Mauvais (contrainte résiduelle élevée) Non recommandé
Suggestions pratiques pour la construction d’un appareil de chauffage
Pour les tubes chauffants en titane grade 5 en service méthanolique HCl :

Tous les assemblages soudés doivent être recuits après soudage. Température de recuit 700-750 degrés, temps de maintien 1-2 heures/25 mm d'épaisseur, atmosphère d'argon pour éviter l'oxydation.

Utiliser des tubes sans soudure longitudinale (sans soudure). Le tube sans soudure étiré à froid doit encore être recuit.

Ne pas plier à froid. Utilisez des tubes recuits avant de les plier ou de les plier à chaud (600 à 700 degrés).

Ajoutez de l'eau à la procédure si cela est chimiquement possible . -0.5-1.0 % de teneur en eau améliore la résistance au SCC de 10 à 100 fois.

Inspecter chaque année avec un ressuage ou des courants de Foucault au niveau des soudures et des coudes.

The residual stress level is the primary governing element of SCC resistance in Grade 5 titanium heating tubes for methanolic HCl application. As-welded components with residual stresses >Fissure de 200 MPa en quelques heures ou jours. Le recuit réduit la contrainte résiduelle à < 50 MPa, ce qui augmente le temps de démarrage à 500-1,000+ heures, permettant un service pratique avec une inspection régulière. Pour les applications importantes nécessitant une durée de vie infinie, la surface du tube doit être grenaillée ou martelée au laser pour introduire une contrainte résiduelle de compression. • Grade 5 : Réchauffeurs pour HCl méthanolique : "recuit et déstressé, contrainte résiduelle<50 MPa per ASTM E837" "seamless tubing, hot bent." Do not accept as-welded or cold-bent components, regardless of wall thickness, because SCC will lead to quick failure irrespective of the corrosion allowance. If SCC risk is not tolerable, consider substitution by Grade 7 or Grade 12 which has better resistance to methanolic SCC or add water to the process to suppress cracking.