Pourquoi un thermoplongeur en titane avec un embout soudé échoue-t-il plus rapidement par corrosion caverneuse au niveau de la racine de la soudure que par amincissement général dans une solution d'hypochlorite de sodium à 5 % à 60 degrés ?

L'hypochlorite de sodium (NaOCl) à 5 % à 60 degrés est un oxydant puissant et le titane a un faible taux de corrosion uniforme de 0,01 à 0,05 mm par an. Cependant, un thermoplongeur présente une fissure à la racine de la soudure du capuchon d'extrémité soudé, c'est-à-dire l'espace entre le capuchon d'extrémité et la paroi du tube à l'intérieur du thermoplongeur. Cette géométrie de fissure emprisonne l’électrolyte stationnaire. Dans la crevasse, l'hypochlorite se décompose en chlorure et en oxygène et les chlorures se concentrent à 5 à 10 fois la concentration globale. À l’intérieur de la fissure, le revêtement passif est détruit et le taux de corrosion augmente jusqu’à 0,3 à 1,0 mm par an, 10 à 100 fois plus rapide qu’un amincissement uniforme. La défaillance se produit principalement à la racine de la soudure, souvent sans corrosion extérieure évidente.

Mécanisme de corrosion caverneuse à la racine de la soudure dans l'hypochlorite

Les conditions oxydantes dans la solution d’hypochlorite en vrac conduisent à la formation d’un film passif stable. La géométrie des crevasses du fond de soudure est limitée de sorte qu'un réapprovisionnement en oxygène n'est pas possible. L'hypochlorite se décompose : 2OCl - → O 2 + 2Cl - . La concentration en chlorure augmente et l'oxygène est consommé. À mesure que l’acide hypochloreux se forme, le pH local diminue. La combinaison d’une teneur élevée en chlorure, d’une faible teneur en oxygène et d’un faible pH est dommageable pour le film passif. La grande cathode externe (le reste du radiateur) produit une dissolution anodique rapide dans la fissure. La géométrie du fond de soudure contient également des contraintes de traction résiduelles dues au soudage, qui contribuent à l'initiation de la fracture.

Taux de corrosion quantitatifs des fissures à la racine de la soudure

Corrosion rates for Grade 2 titanium at different heater positions were determined using controlled tests in 5% NaOCl at 60°C for 1,000 hours. The tube body (smooth surface, no crevice) is uniformly corroded at a rate of 0.01–0.03 mm year−1 and the surface is bright, without pitting. For the outer weld toe (the outside of the welded end cap), the corrosion rate is 0.02~0.05 mm per year and mild etching is seen on the surface. For the weld root crevice (inner gap of 0.1–0.3 mm) crevice corrosion rate is 0.3–0.8 mm per year, considerable grooving is observed, and perforation of a 1.2 mm wall takes place in 1,500–4,000 hours. When the end cap is inadequately fitted (gap >0,5 mm) sur la racine de la soudure, le taux de corrosion caverneuse augmente jusqu'à 0,5 à 1,2 mm/an et une perforation se produit entre 1 000 et 2 500 heures.

Effet de la concentration et de la température de l'hypochlorite sur la gravité de la corrosion caverneuse

La gravité de la corrosion caverneuse des racines de soudure augmente avec la teneur en hypochlorite et la température. Le taux de corrosion caverneuse à 60 degrés et 1 % de NaOCl était de 0,15 à 0,40 mm/an. Le taux est de 0,30 à 0,80 mm/an à 5 % et 60 degrés. Le taux est de 0,50 à 1,20 mm an−1 à 10 % et 60 degrés. À 5 % et 40 degrés, le taux est de 0,10 à 0,25 mm par an. À 5 % et 80 degrés, le taux s'élève à 0,50 à 1,00 mm par an-1 . L'inclusion de chlorures dans la solution d'hypochlorite (provenant d'un agent de blanchiment vieilli) augmente le taux de corrosion caverneuse de 30 à 50 % supplémentaires.

Manuel de conception et d'atténuation des racines de soudure du service de chlore

Le tableau suivant présente des suggestions pour la conception des soudures des capuchons d'extrémité et des conceptions alternatives pour empêcher la corrosion caverneuse dans l'hypochlorite de sodium à 5 % à 60 degrés.

Conception de la soudure Espacement des crevasses (mm) Taux de corrosion des crevasses prévu (mm/an) 1,2 mm Délai jusqu'à la perforation du mur (heures) Conseils
Soudure à pénétration totale, affleurante au sol 0 (pas de crevasse)<0.05 >10 000 bonnes pratiques
Soudure à pénétration partielle, espace<0.1 mm <0.1 0.15-0.35 3,500-8,000Acceptable for inspection
Soudure à pénétration partielle, écart 0,1-0,3 mm 0.1-0.3 0.30-0.80 1500-4000 Marginal
Soudure par recouvrement (capuchon sur tube), écart 0,3–0,5 mm 0,3–0.5 0.50–1.00 1,200–2 500Non suggéré
Soudure bout à bout avec bague d'appui 0,2–0.4 0.40–0.90 1,300–3 000 Éviter l'ingénierie au-delà de la conception de la soudure

La qualité du titane a un impact sur la résistance à la corrosion caverneuse. Le grade 7 (palladium-stabilisé) a un temps de démarrage 3 à 5 fois plus long et un taux de propagation 50 à 70 % inférieur à celui du grade 2 dans les crevasses d'hypochlorite. La 12e année est une amélioration intermédiaire. L'épaisseur de la paroi donne une marge de manœuvre au matériau . 2.0 mm de paroi avec une corrosion caverneuse de 0,5 mm par an et a une durée de vie de 4 ans. Le capuchon d'extrémité doit être conçu comme une soudure bout à bout à pénétration complète et affleurant à la fois à l'intérieur et à l'extérieur. Lorsqu'une crevasse ne peut être évitée, l'espace est scellé avec un ruban PTFE ou un scellant en polymère fluoré pour empêcher la pénétration d'électrolyte. La concentration d'hypochlorite dans les crevasses est réduite par un rinçage périodique du radiateur avec de l'eau douce.

Spécificité avec certitude

Pour un thermoplongeur en titane dans 5 % d'hypochlorite de sodium à 60 degrés, spécifiez une soudure bout à bout à pénétration complète pour le capuchon d'extrémité, rectifiée à ras à l'intérieur et à l'extérieur pour obtenir une géométrie sans crevasses-. Si le soudage à pénétration totale ne peut pas être effectué, un écart minimum de racine de soudure inférieur à 0,1 mm doit être spécifié et une inspection post-soudage doit être requise pour confirmer la taille de l'écart. Le titane de grade 7 doit être spécifié pour les applications critiques et un test de fuite à l'hélium doit être effectué pour vérifier l'intégrité de la soudure. Inspectez trimestriellement la zone de soudure pendant le fonctionnement à l'aide d'un endoscope ou d'un ressuage. Si des produits de corrosion sont visibles dans la soudure, remplacez le réchauffeur. La conception d'une racine de soudure sans crevasse-supprime le mécanisme de corrosion rapide, permettant au radiateur d'atteindre une durée de vie limitée uniquement par un amincissement uniforme.