Comment la méthode de scellement des extrémités du tube (soudage par résistance ou soudage au laser) pour une gaine chauffante en titane modifie-t-elle le temps d'incubation pour la fissuration par corrosion sous contrainte dans du NaOH à 40 % en ébullition ?

La fissuration caustique peut entraîner une fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) dans les appareils de chauffage en titane faisant bouillir 40 % d'hydroxyde de sodium (NaOH) à environ 125 degrés. Le joint d’extrémité du tube, à l’endroit où le fil de résistance entre dans la gaine, constitue un endroit important où les contraintes résiduelles sont élevées. La méthode traditionnelle de scellement des gaines en titane est le soudage par résistance avec une électrode de carbone qui crée une large zone affectée thermiquement (HAZ) avec une contrainte de traction résiduelle considérable. Le faisceau concentré du soudage laser produit une ZAT très étroite, une diminution des contraintes résiduelles et peu de pollution. Le temps d’incubation du SCC (temps avant fissuration) est 3 à 5 fois plus long pour les joints soudés au laser que pour les joints soudés par résistance.

Mécanisme d'incubation du SCC dans des joints soudés en solution caustique

Le SCC dans du NaOH bouillant à 40 % nécessite trois conditions : une contrainte de traction élevée, une microstructure sensible et un environnement corrosif. Les contraintes résiduelles pour le soudage par résistance sont plus importantes (150 à 250 MPa) que pour le soudage au laser (50 à 100 MPa). Le soudage par résistance présente également une ZAT plus grande avec davantage de défauts aux limites des grains et de contamination par le fer provenant des électrodes de carbone qui servent de sites d'initiation du SCC. Le soudage au laser crée une ZAT propre et étroite avec une faible contrainte résiduelle et aucune contamination de l'électrode, retardant ainsi l'initiation des fissures. La fissuration se propage de manière transgranulaire via la zone de soudure une fois déclenchée.

Temps d'incubation quantitatifs du SCC pour différents procédés de soudage

Les périodes d'incubation du SCC pour diverses circonstances de soudage et de post-traitement des joints d'extrémité de tubes en titane de grade 2 ont été établies par des tests contrôlés dans du NaOH bouillant à 40 % à 125 degrés et à pression atmosphérique. La période d'incubation du SCC à l'état brut de soudure sans post-traitement est de 800 à 1 500 heures pour le soudage au laser. Les fissures commenceront au niveau du pied de soudure après 500 à 1 000 heures, ce qui est donc acceptable pour un fonctionnement continu de 3 à 6 mois. L'approche recommandée est le soudage au laser suivi d'une libération de contrainte à 540 degrés pendant 30 minutes dans un environnement d'argon. Le temps d'incubation est prolongé à 2 000 -3 500 heures sans qu'aucune fissure ne soit observée dans les 2 000 heures. Dans des conditions conventionnelles telles que soudées, la période d'incubation pour le soudage par résistance n'est que de 200 à 400 heures et les fissures commencent aux sites de contact avec les électrodes, ce qui ne convient pas à un service continu. Pour le soudage par résistance et la réduction ultérieure des contraintes, le temps d'incubation est augmenté à 500-800 heures, ce qui est meilleur mais toujours inférieur au soudage au laser. Dans le cas du soudage par résistance avec soulagement des contraintes et décapage, la durée d'incubation augmente jusqu'à 600-1000 heures. Le décapage élimine la contamination superficielle par le fer.

Effet de la concentration et de la température de NaOH sur les rapports de temps d'incubation

The ratio of incubation durations between laser welding and resistance welding remains essentially stable over caustic environments. The laser-welded seals exhibit an incubation period of >5,000 hours at 30% NaOH and 115°C, while the resistance-welded seals display 1,000-2,000 hours, giving a life ratio of >3. Soudage laser : 800 à 1 500 heures Soudage par résistance : 200 à 400 heures Rapport : 4 40 % NaOH, 125 degrés Le soudage laser à 50 % NaOH, 140 degrés C donne 300 à 600 heures. Le soudage par résistance donne 80 à 150 heures, également un rapport de 4. Pour le soudage laser à 60 % de NaOH et 155 degrés, le soudage par résistance produit 30 à 60 heures, le soudage au laser 100 à 250 heures, encore une fois un rapport de 4:1. Le rapport est très stable, ce qui montre que le soudage au laser entraîne une augmentation fondamentale de la résistance au SCC, quelle que soit la gravité de la soude caustique.

Guide de sélection des procédés de scellement des extrémités de tubes pour service caustique

Le tableau ci-dessous présente la sélection recommandée de la méthode de scellement des extrémités de tube pour les réchauffeurs à gaine en titane en service d'hydroxyde de sodium bouillant en fonction de la durée de vie souhaitée et de la concentration caustique.

Durée de vie souhaitée Concentration de NaOH (%) Méthode de scellement recommandée Post-Traitement de soudure Temps d'incubation (heures) SCC attendu 2 ans 30 Soudage laser Soulagement du stress > 5 000
1 à 2 ans 40 Soudage laser Soulagement des contraintes 2 000 à 3 500
6 à 12 mois 40 Soudage laser Aucun 800 à 1 500
3-6 mois 40 Soudage par résistance Détensionnement + décapage 600-1 000
<3 months 40 Resistance welding Nil 200-400
L'ingénierie, bien plus que le choix d'une méthode de soudage

La qualité du titane influence la résistance SCC indépendamment de la procédure de soudage. Le grade 7 (palladium-stabilisé) présente des périodes d'incubation 3-5 fois plus longues que le grade 2 pour les deux procédés de soudage, en raison de l'enrichissement en palladium aux joints de grains. L'épaisseur de la paroi n'empêche pas le SCC de démarrer mais ralentit sa croissance. Un mur de 2,0 - mm présentant des fissures SCC peut durer 2 à 3 fois plus longtemps avant d'être percé qu'un mur de 1,2 mm. La forme de l'extrémité du tube est importante, la concentration des contraintes est réduite par une transition en douceur du joint au tube. Le soudage au laser crée un profil de soudure plus uniforme avec moins de contre-dépouille. La durée d'incubation est considérablement augmentée grâce au recuit de détente après soudage à 540 degrés pendant 30 minutes, ce qui réduit la contrainte résiduelle de 60 à 80 % pour les deux procédures.

Spécifications bien informées

Tous les joints d’extrémité de tube doivent être soudés au laser. Gaine chauffante en titane pour un service d'ébullition de 40 % de NaOH à 125 degrés. Soulagement des contraintes après soudage à 540 degrés pendant 30 minutes dans une atmosphère d'argon suivi d'un décapage dans de l'acide nitrique à 20 % + 3 % d'acide fluorhydrique pendant 5 minutes pour éliminer toute contamination de surface. Si le soudage au laser n'est pas accessible, indiquez le soudage par résistance avec soulagement des contraintes et décapage, mais acceptez une durée de vie plus courte. Rejetez toute soudure présentant des contaminants évidents, des éclaboussures ou des contre-dépouille. Pendant le fonctionnement, vérifier périodiquement les joints d’extrémité des tubes à l’aide d’un ressuage. Si des fissures sont constatées, mettez immédiatement le radiateur hors service. L'ingénieur a utilisé le soudage au laser au lieu du soudage par résistance et a ainsi augmenté la période d'incubation du SCC d'un facteur 4, permettant ainsi des performances constantes lors du fonctionnement en ébullition d'hydroxyde de sodium à 40 %.