Por que um aquecedor de imersão de titânio com ponta de solda polida (fator de concentração de tensão<1.2) Outlast an As-Welded Joint (SCF >3) por um fator de 5 em um sistema de proteção catódica de água salgada de 90 graus?

Aquecedores de titânio em um sistema de proteção catódica de água do mar de 90 graus foram atacados por corrosão e fragilização por hidrogênio. A ponta da solda é uma área de alta concentração de tensão. O SCF de juntas-soldadas é 3-5 e de pontas de solda polidas é inferior a 1,2. O maior SCF leva ao aumento das tensões de tração e, portanto, ao aumento da fissuração induzida pelo hidrogênio e ao início da trinca por fadiga. O polimento para reduzir o SCF aumenta a vida útil por um fator de 5. A melhoria é observada na bainha de titânio e no fio de resistência interno.

O papel do fator de concentração de tensão na vida em fadiga

Uma junta soldada é um entalhe onde a ponta da solda concentra as tensões aplicadas e residuais. A tensão da ponta da solda é dada por σ_max=SCF vezes σ_nominal. Com um SCF de 4 para uma junta-soldada, uma tensão nominal de 50 MPa produz uma tensão local de 200 MPa, próxima ao limite de escoamento do titânio Grau 2. Com SCF=1.2 para uma junta polida, a mesma tensão nominal produz uma tensão local de apenas 60 MPa. Num sistema de proteção catódica, átomos de hidrogênio são criados na superfície do titânio. A tensão de tração atrai o hidrogênio para a posição de tensão triaxial máxima na ponta da solda, onde os hidretos precipitam e as trincas são iniciadas. O menor SCF reduz a força motriz para o acúmulo de hidrogênio.

Vida útil à fadiga em função da condição da solda, quantitativa

A vida útil de fadiga das juntas soldadas de titânio Grau 2 foi obtida a partir de testes de carga cíclica controlada em água do mar a 90 graus com proteção catódica a -0,85 V vs. Ag/AgCl. A vida útil relativa ao-soldado para uma junta-soldada com um entalhe agudo (SCF 4-5) é de 10.000 a 30.000 ciclos até o início da fissura. Para a junta soldada com geometria média (SCF 3-4), os ciclos são 20.000-50.000 e a vida relativa é 1,5. Retificação de junta lisa (SCF 1,5-2) 50.000-150,000 3.0 Para uma junta polida mecanicamente (SCF 1,2-1,5) os ciclos são 80.000-200.000 e a vida relativa é 4,0. Para a junta eletropolida com SCF menor que 1,2, os ciclos são de 150.000 a 300.000 e a vida relativa é de 5 a 7 vezes a condição como soldada.

Efeito do potencial de proteção catódica na sensibilidade do SCF

A vantagem do polimento aumenta com um potencial de proteção catódica mais negativo (mais protetor). Como-a vida útil da solda é de 100.000-200.000 ciclos. A vida útil polida é de 500.000-1.000.000 de ciclos. A proporção de vida é 5 em -0,80 V vs. Ag/AgCl. A -0,85 V, o como soldado tem uma vida útil de 30.000-60.000 ciclos, o polido tem uma vida útil de 150.000-300.000 ciclos e a proporção ainda é 5. A vida como soldado a -0,90 V é de 10.000-20.000 ciclos, a vida polida é 50.000-100.000 ciclos e a proporção é 5. A vida útil como soldada em -0,95 V é de 5.000 a 10.000 ciclos, a vida polida é de 25.000 a 50.000 ciclos e a proporção é 5. A melhoria consistente de 5x demonstra que o polimento aborda a causa raiz do mecanismo de concentração de tensão, independentemente da vida absoluta.

Guia de curativo de solda para serviços de proteção catódica

A tabela abaixo fornece recomendações para acabamento de solda para aquecedores de titânio em sistemas de proteção catódica de água do mar a 90 graus com base nos requisitos de vida cíclica esperados.

Ciclos esperados ao longo da vida útil exigidos pela SCF Acabamento de ponta de solda recomendado Vida útil de fadiga esperada (ciclos) em relação à-soldada<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

A resistência à fadiga é afetada pelo grau de titânio independente do SCF. O grau 7 é igualmente sensível ao SCF, mas apresenta maior resistência à fadiga intrínseca devido ao enriquecimento em paládio. Para uma determinada carga a tensão nominal depende da espessura da parede. Uma parede de 2,0 mm apresenta uma tensão menor do que uma parede de 1,0 mm para o mesmo momento fletor. A forma do reforço de solda deve ser levada em consideração. Uma transição suave (raio > 3 mm) reduz o SCF mais do que apenas o desbaste. O recozimento pós{10}}de alívio de tensão de soldagem a 540 graus por 30 minutos reduz as deformações residuais em 60–80% e melhora significativamente a vida útil à fadiga. O potencial de proteção catódica deve ser ajustado entre -0,80 e -0,85 V, mas não mais negativo, para minimizar a evolução de hidrogênio.

Escrevendo uma especificação informada

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