Comment la qualité des soudures d’un tube chauffant en titane affecte-t-elle sa résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte dans les milieux chauds à base de chlorure ?

Le titane est sensible à la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) dans l'une des rares conditions, celle des milieux chlorure chauds. Les milieux chlorés chauds sont généralement définis comme étant supérieurs à 60 degrés et avec une teneur en chlorure supérieure à 1 000 ppm. Le SCC se propage rapidement à travers la paroi du tube, avec peu d’indications visuelles, contrairement aux piqûres ou à la corrosion générale. Le cordon de soudure d'un tube chauffant en titane est le site le plus probable pour l'apparition d'un SCC. Les contraintes de traction résiduelles introduites par le processus de soudage et les changements microstructuraux dans la zone affectée thermiquement (ZAT) modifient considérablement la contrainte seuil du matériau pour la fissuration. Il est important de comprendre l'effet de certaines caractéristiques de qualité du cordon de soudure, telles que la couleur, la pénétration, le niveau d'oxydation et le traitement post-soudage, sur la résistance SCC afin de choisir des appareils de chauffage pour un service au chlorure chaud.

Mécanismes d’initiation métallurgiques du SCC dans les soudures en titane

Le soudage du titane dans l'air crée une séquence caractéristique de couleurs qui indique une contamination de la surface. Une teinte argentée ou paille pâle signifie moins d’oxydation et une protection suffisante. Les couleurs bleues, violettes ou grises indiquent une absorption excessive d'oxygène, ce qui entraîne une couche de cas alpha-cassante. Cette couche enrichie en oxygène-est plus dure mais nettement moins résistante et, surtout, a un seuil de contrainte plus faible pour la formation de SCC dans les chlorures. Le cycle thermique rapide à l'intérieur de la ZAT produit de la martensite alpha-prime aciculaire dans les qualités commercialement pures, qui est plus sujette à l'absorption d'hydrogène que le métal de base équiaxe. La force motrice mécanique est souvent les contraintes de traction résiduelles au pied de la soudure, qui sont de l'ordre de la limite d'élasticité (240-340 MPa pour le grade 2). L'adsorption des ions chlorure sur la surface oxydée se produit lorsque des solutions de chlorure chaudes entrent en contact avec la zone de soudure, et des microfissures se développent en raison de la concentration de contraintes au niveau des ondulations ou des contre-dépouilles de la soudure. Ces fissures se propagent ensuite de manière transgranulaire à travers la ZAT le long du trajet de contrainte résiduelle maximale.

Les paramètres quantitatifs de la qualité des soudures et leurs seuils pour le SCC

Des tests contrôlés en laboratoire utilisant des échantillons de tension compacts pré-fissurés dans du chlorure de magnésium bouillant (155 degrés, 42 % de MgCl2) ont démontré des relations quantitatives :

Niveau d'oxydation des soudures : Les soudures argent/paille ont une intensité de contrainte seuil K ISCC d'environ 55 MPa√m. Les soudures bleues montrent un K_ISCC inférieur de 30 à 35 MPa√m. Pour les soudures grises ou blanches (oxydation sévère), K_ISCC est inférieur à 15 MPa√m et les fissures se développent rapidement à de faibles charges appliquées.

Hauteur du renfort de soudure (pénétration du trop-plein) : Chaque 0,5 mm de renfort au-dessus du diamètre extérieur du tube double le facteur de concentration de contrainte locale. Pour les soudures avec un renfort inférieur à 0,2 mm, le temps d'apparition du SCC est supérieur à 2 000 h. Un renforcement supérieur à 1,0 mm réduit le temps d'amorçage à moins de 200 heures.

Profondeur de contre-dépouille de soudure : une contre-dépouille de 0,1 mm diminue la surface de la section transversale locale-d'environ 5 % mais augmente la contrainte locale de 15 à 20 %. Service au chlorure chaud : une contre-dépouille supérieure à 0,3 mm n’est pas acceptable.

Traitement thermique post-(PWHT) : le soulagement des contraintes à 540 - 650 degrés pendant 30 minutes diminue les contraintes résiduelles dans la soudure de 60 à 75 % et augmente le temps d'apparition du SCC d'un facteur de 5 à 10.

Application basée sur le guide de sélection de la qualité de soudure

Le tableau suivant présente un cadre de choix pour établir la qualité des soudures des réchauffeurs de titane en fonction de la sévérité du service du chlorure et des normes de sécurité.

Condition de service et fiabilité du chlorure chaud Priorité requise Exigence de qualité de soudure Justification principale et modification du risque de CSC
Chlorures 1 000-5 000 ppm 60-80 degrés Solution propre Fonctionnement non cycliqueCouleur paille argentée, renfort Inférieur ou égal à 0,3 mm, aucune contre-dépouille visible Des circonstances modérées sont acceptables pour les soudures GTAW autogènes standard. Inspecté visuellement selon l'acceptation AWS D1.6 Classe B.
Chlorures 5 000 à 20 000 ppm, 80 à 100 degrés, zones sans écoulement, cycles thermiques hebdomadairesTeinte paille légère, renforcement inférieur ou égal à 0,2 mm, réduction des contraintes PWHT (550 degrés, 30 min) Le PWHT diminue les contraintes résiduelles en dessous du seuil SCC. Aucun bleu d’oxydation autorisé. Toutes les soudures doivent être examinées par ressuage.
Continuous Duty, chlorides >20 000 ppm, 100 à 120 deg C, service à l'eau de mer ou à la saumure. Aucun oxyde visible (retour purgé à l'argon), renfort rectifié ±0,1 mm, résistance PWHT Max SCC complète nécessaire. Les générateurs de contraintes sont éliminés par meulage post-soudure. Un métal de base de grade 12 ou 7 est préférable.
Chlorure chaud, pH<4 or oxidizing species (Fe3+, Cu2+) Silver weld color + Weld toe cold working (shot peening) Compressive surface stress from peening offsets tensile residual stress. Specialized procedure, more expensive.
Ingénierie de la qualité des soudures et plus encore

La qualité de la soudure ne dépend pas de l'épaisseur de la paroi du tube et de la température de travail. Même une soudure de mauvaise-qualité peut percer une paroi épaisse (1,5 mm) en quelques semaines, car les taux de propagation du SCC dans le titane peuvent atteindre 1 à 2 mm/h une fois établis. Cependant, une paroi mince (0,7 mm) avec une excellente soudure (couleur argent, PWHT, affleurement au sol) durera des années en saumure chaude. La qualité du métal de base a également une influence sur la susceptibilité de la soudure : le titane de grade 12 (0,3 % Mo et 0,8 % Ni) a une ténacité HAZ de soudure bien meilleure que le grade 2. Lors de la conception pour un service au chlorure chaud, spécifiez un contrôle par ressuage (ASTM E165) sur toutes les soudures et n'acceptez que les soudures sans indication. La contre-purge à l'argon pendant le soudage n'est pas facultative, elle est nécessaire pour éviter l'oxydation de la surface intérieure qui ne peut pas être vue par une inspection extérieure.

Comment faire un bon cahier des charges

(1) couleur de soudure pas plus foncée que la paille claire selon le nuancier AWS A5.16 ; (2) renfort de soudure maximum 0,2 mm ; (3) pas de contre-dépouille ; (4) inspection par ressuage à 100 % avec rapport écrit ; (5) traitement thermique post-soudage pour un service supérieur à 90 degrés. Lors de la spécification de tubes chauffants en titane pour des environnements de chlorure chaud au-dessus de 60 degrés, il est conseillé d'inclure les exigences de qualité de soudure suivantes dans les spécifications d'approvisionnement : Demander des dossiers de qualification de procédure de soudage (PQR) montrant que la méthode du fournisseur produit des soudures correspondant à ces critères. Cela fait de la qualité du cordon de soudure le paramètre de conception dominant, ce qui permet à l'ingénieur de réguler directement le risque de SCC en service de chlorure chaud et de transformer la soudure d'un site d'initiation de défaillance en une partie fiable de l'ensemble chauffant.