Pourquoi un thermoplongeur en titane avec un bout de soudure poli (facteur de concentration de contrainte)<1.2) Outlast an As-Welded Joint (SCF >3) par un facteur 5 dans un système de protection cathodique à l'eau de mer à 90 degrés ?
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Les éléments chauffants en titane d'un système de protection cathodique à l'eau de mer à 90 degrés ont été attaqués par la corrosion et la fragilisation par l'hydrogène. Le pied de soudure est une zone à forte concentration de contraintes. Le SCF des joints soudés est de 3-5 et celui des embouts soudés polis est inférieur à 1,2. Un SCF plus grand entraîne une augmentation des contraintes de traction et donc une augmentation de la fissuration induite par l'hydrogène et de l'initiation des fissures de fatigue. Le polissage pour réduire le SCF augmente la durée de vie d'un facteur 5. L'amélioration est visible dans la gaine en titane et le fil de résistance à l'intérieur.
Le rôle du facteur de concentration des contraintes dans la durée de vie en fatigue
Un joint soudé est une encoche où le pied de soudure concentre les contraintes appliquées et résiduelles. La contrainte du pied de soudure est donnée par σ_max=SCF fois σ_nominal. Avec un SCF de 4 pour un joint tel que soudé, une contrainte nominale de 50 MPa produit une contrainte locale de 200 MPa, proche de la limite d'élasticité du titane Grade 2. Avec SCF=1.2 pour un joint poli, la même contrainte nominale produit une contrainte locale de seulement 60 MPa. Dans un système de protection cathodique, des atomes d’hydrogène sont créés à la surface du titane. La contrainte de traction attire l'hydrogène vers la position de contrainte triaxiale maximale au niveau du pied de soudure où les hydrures précipitent et les fissures sont initiées. Un SCF inférieur réduit la force motrice de l’accumulation d’hydrogène.
Durée de vie en fatigue en fonction de l'état du pincement de la soudure, quantitative
Les durées de vie en fatigue des joints soudés en titane de grade 2 ont été obtenues à partir d'essais de chargement cyclique contrôlé dans de l'eau de mer à 90 degrés avec protection cathodique à -0,85 V par rapport à Ag/AgCl. La durée de vie par rapport à -soudé pour un joint tel que-soudé avec une encoche pointue (SCF 4-5) est de 10 000 à 30 000 cycles jusqu'au début de la fissure. Pour le joint brut de soudure de géométrie moyenne (SCF 3-4), les cycles sont de 20 000 à 50 000 et la durée de vie relative est de 1,5. Joint lisse rectifié (SCF 1,5-2) 50 000-150,000 3.0 Pour un joint poli mécaniquement (SCF 1,2-1,5), les cycles sont de 80 000 à 200 000 et la durée de vie relative est de 4,0. Pour le joint électropoli avec un SCF inférieur à 1,2, les cycles sont de 150 000 à 300 000 et la durée de vie relative est de 5 à 7 fois supérieure à l'état brut de soudure.
Effet du potentiel de protection cathodique sur la sensibilité du SCF
L'avantage du polissage augmente avec un potentiel de protection cathodique plus négatif (plus protecteur). Comme-la durée de vie du soudage est de 100 000-200 000 cycles. La durée de vie polie est de 500 000 -1 000 000 de cycles. Le rapport de durée de vie est de 5 à -0,80 V par rapport à Ag/AgCl. À -0,85 V, le brut de soudure a une durée de vie de 30 000 à 60 000 cycles, le poli a une durée de vie de 150 000 à 300 000 cycles et le rapport est toujours de 5. La durée de vie du brut de soudure à -0,90 V est de 10 000 à 20 000 cycles, la durée de vie du poli est de 50 000 à 100 000 cycles et le le rapport est de 5. La durée de vie après soudage à -0,95 V est de 5 000 à 10 000 cycles, la durée de vie polie est de 25 000 à 50 000 cycles et le rapport est de 5. L'amélioration constante de 5 × démontre que le polissage s'attaque à la cause profonde du mécanisme de concentration des contraintes, quelle que soit la durée de vie absolue.
Guide de dressage des orteils soudés pour les services de protection cathodique
Le tableau ci-dessous donne des recommandations pour la finition des extrémités de soudure des éléments chauffants en titane dans les systèmes de protection cathodique à l'eau de mer à 90 degrés, en fonction des exigences de durée de vie cyclique attendue.
Cycles attendus sur la durée de vie SCF requis Finition du pied de soudure recommandée Durée de vie prévue en fatigue (cycles) par rapport à la valeur de soudage-<10,000 <4 As-Welded (any) 10,000-30,000 1x 10,000-50,000 <3 As-welded (smooth) 20,000-50,000 1.5x 50,000-150,000 <2 Ground smooth 50,000-150,000 3x 150,000-300,000 <1.5 Mechanically polished 80,000-200,000 4x >300,000 <1.2 Electropolished 150,000-300,000 5-7x Engineering Beyond Weld Toe Finishing
La résistance à la fatigue est affectée par la qualité du titane, indépendamment du SCF. Le grade 7 est également sensible au SCF mais présente une résistance à la fatigue intrinsèque plus élevée en raison de l'enrichissement en palladium. Pour une charge donnée, la contrainte nominale dépend de l'épaisseur de la paroi. Un mur de 2,0 mm donne une contrainte inférieure à un mur de 1,0 mm pour le même moment de flexion. La forme du renfort soudé doit être prise en compte. Une transition douce (rayon > 3 mm) réduit le SCF bien plus qu'un simple meulage. Le recuit de détente après soudage à 540 degrés pendant 30 minutes réduit les contraintes résiduelles de 60 à 80 % et améliore considérablement la durée de vie en fatigue. Le potentiel de protection cathodique doit être ajusté entre -0,80 et -0,85 V mais pas plus négatif pour minimiser le dégagement d'hydrogène.
Rédiger une spécification éclairée
Specify electropolish all weld toes to a stress concentration factor less than 1.2 for titanium immersion heater in 90°C seawater cathodic protection service. Require profilometer readings to verify that the weld toe radius is more than 3 mm. For existing heaters with as-welded joints, include a stress-relief anneal and grind the weld toes smooth. During operation, examine the weld area annually using dye penetrant and regrind and repolish if cracks are found. Polishing the titanium heater welds reduces the stress concentration factor from >3 à<1.2 and increases the fatigue life by a factor of 5 in cathodically protected seawater.
