Perché un riscaldatore ad immersione in titanio con punta di saldatura lucidata (fattore di concentrazione dello stress<1.2) Outlast an As-Welded Joint (SCF >3) di un fattore 5 in un sistema di protezione catodica dell'acqua di mare a 90 gradi?

I riscaldatori in titanio in un sistema di protezione catodica dell'acqua di mare a 90 gradi sono stati attaccati dalla corrosione e dall'infragilimento da idrogeno. La punta della saldatura è un'area ad alta concentrazione di stress. L'SCF dei giunti saldati come-è 3-5 e dei piedi saldati lucidati è inferiore a 1,2. L'SCF più grande porta ad un aumento delle sollecitazioni di trazione e quindi ad un aumento della fessurazione indotta dall'idrogeno e dell'innesco di crepe da fatica. La lucidatura per ridurre l'SCF aumenta la durata di un fattore 5. Il miglioramento è evidente nella guaina in titanio e nel filo di resistenza all'interno.

Il ruolo del fattore di concentrazione dello stress nella vita a fatica

Un giunto saldato è un incavo in cui il piede di saldatura concentra le sollecitazioni applicate e residue. La tensione del piede di saldatura è data da σ_max=SCF volte σ_nominal. Con un SCF di 4 per un giunto saldato, una sollecitazione nominale di 50 MPa produce una sollecitazione locale di 200 MPa, vicina al limite di snervamento del titanio di grado 2. Con SCF=1.2 per un giunto lucidato la stessa sollecitazione nominale produce una sollecitazione locale di soli 60 MPa. In un sistema di protezione catodica si creano atomi di idrogeno sulla superficie del titanio. La sollecitazione di trazione attira l'idrogeno nella posizione di massima sollecitazione triassiale in corrispondenza della punta della saldatura dove precipitano gli idruri e si formano le cricche. Un SCF inferiore riduce la forza trainante per l’accumulo di idrogeno.

Vita a fatica in funzione delle condizioni del piede di saldatura, quantitativa

La durata a fatica dei giunti saldati in titanio di grado 2 è stata ottenuta da test di carico ciclico controllato in acqua di mare a 90 gradi con protezione catodica a -0,85 V rispetto ad Ag/AgCl. La durata relativa a as-saldato per un giunto as-saldato con un intaglio netto (SCF 4-5) è di 10.000-30.000 cicli fino all'inizio della fessurazione. Per il giunto come saldato con geometria media (SCF 3-4) i cicli sono 20.000-50.000 e la vita relativa è 1,5. Giunto liscio rettificato (SCF 1,5-2) 50.000-150,000 3.0 Per un giunto lucidato meccanicamente (SCF 1,2-1,5) i cicli sono 80.000-200.000 e la vita relativa è 4,0. Per il giunto elettrolucidato con SCF inferiore a 1,2, i cicli sono 150.000-300.000 e la durata relativa è 5-7 volte la condizione come saldato.

Effetto del potenziale di protezione catodica sulla sensibilità SCF

Il vantaggio della lucidatura aumenta con un potenziale di protezione catodica più negativo (più protettivo). Poiché la-vita saldata è di 100.000-200.000 cicli. La vita utile è di 500.000-1.000.000 di cicli. Il rapporto di durata è 5 a -0,80 V rispetto ad Ag/AgCl. A -0,85 V, la durata della parte saldata è di 30.000-60.000 cicli, la durata della parte lucidata è di 150.000-300.000 cicli e il rapporto è ancora 5. La durata della parte saldata a -0,90 V è di 10.000-20.000 cicli, la durata della parte lucidata è di 50.000-100.000 cicli e il rapporto è 5. La durata come saldato a -0,95 V è di 5.000–10.000 cicli, la durata lucidata è di 25.000–50.000 cicli e il rapporto è 5. Il miglioramento costante di 5 volte dimostra che la lucidatura affronta la causa principale del meccanismo di concentrazione delle sollecitazioni indipendentemente dalla durata assoluta.

Guida alla medicazione delle punte di saldatura per i servizi di protezione catodica

La tabella seguente fornisce raccomandazioni per la finitura della punta della saldatura per i riscaldatori in titanio nei sistemi di protezione catodica dell'acqua di mare a 90 gradi in base ai requisiti di vita ciclica previsti.

Cicli previsti rispetto alla durata di servizio richiesta Finitura della punta saldata consigliata da SCF Durata a fatica prevista (cicli) rispetto a come-saldato<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 resistenza alla fatica è influenzata dal grado di titanio indipendentemente dall'SCF. Il grado 7 è altrettanto sensibile all'SCF ma ha una maggiore resistenza alla fatica intrinseca grazie all'arricchimento di palladio. Per un dato carico la sollecitazione nominale dipende dallo spessore della parete. Una parete di 2,0 mm dà una sollecitazione inferiore rispetto ad una parete di 1,0 mm per lo stesso momento flettente. È necessario prendere in considerazione la forma dell'armatura di saldatura. Una transizione graduale (raggio > 3 mm) riduce il SCF più della semplice rettifica. La ricottura di distensione post-saldatura a 540 gradi per 30 minuti riduce le deformazioni residue del 60–80% e migliora significativamente la resistenza alla fatica. Il potenziale di protezione catodica dovrebbe essere regolato tra -0,80 e -0,85 V ma non più negativo per ridurre al minimo lo sviluppo di idrogeno.

Scrivere una specifica informata

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 a<1.2 and increases the fatigue life by a factor of 5 in cathodically protected seawater.