**Pour un élément d'immersion en titane utilisé pour maintenir 85 degrés dans une saumure à 25 % de chlorure de magnésium + 5 % de chlorure de calcium pour le traitement de la potasse, comment le niveau de contrainte résiduelle de surface du tube (tel que-soudé par rapport à la contrainte-relâchée à 550 degrés pendant 2 heures) est-il en corrélation avec la fréquence de fissuration par corrosion sous contrainte induite par le chlorure-dans la zone affectée par la chaleur ?**
Les thermoplongeurs en titane sont largement utilisés dans le traitement de la potasse où la saumure contient 25 % de chlorure de magnésium (MgCl₂) et 5 % de chlorure de calcium (CaCl₂) à 85 degrés. La solution de chlorure hautement concentrée est modérément corrosive, mais le titane de grade 2 conserve généralement un film passif stable dans ces conditions. Cependant, un mécanisme de défaillance spécifique se produit au niveau des joints soudés des tubes chauffants. La zone affectée thermiquement (ZAT) résultant du soudage contient des contraintes de traction résiduelles dues à la contraction thermique et aux transformations de phase. Dans les solutions de chlorure chaudes, ces contraintes résiduelles se combinent avec les ions chlorure pour produire une fissuration par corrosion sous contrainte (SCC). La fréquence de fissuration est directement corrélée à l’ampleur de la contrainte de traction résiduelle au niveau de la ZAT. Comme-les tubes soudés conservent des contraintes résiduelles importantes (150 à 250 MPa) et se fissurent dans les 1 000 à 2 000 heures. Les contraintes des tubes-relâchées à 550 degrés pendant 2 heures ont des contraintes résiduelles réduites à 30–60 MPa et offrent un service sans fissure-au-delà de 8 000 heures. Comprendre cette corrélation permet aux ingénieurs de spécifier un traitement thermique post-soudage approprié pour un service fiable dans les saumures de chlorure.
**Mécanisme du chlorure-SCC induit dans le titane HAZ**
Le SCC induit par le chlorure-dans le titane se produit via un mécanisme de rupture de film-. Le film passif de TiO₂ est localement brisé au niveau de la ZAT où la contrainte de traction résiduelle est la plus élevée. Sur la surface métallique exposée, les ions chlorure s'adsorbent et favorisent la dissolution anodique le long des joints de grains. La concentration des contraintes au fond de la fissure accélère la dissolution, tandis que la repassivation est gênée par la concentration élevée en chlorure. La ZAT du titane soudé présente une microstructure transformée avec des grains alpha grossiers et, en fonction de la vitesse de refroidissement, une éventuelle phase bêta ou martensite. Cette microstructure est plus sensible au SCC que le métal-mère car elle présente des contraintes internes plus élevées et une plus grande surface limite de grains. La contrainte seuil pour l'initiation du SCC dans le titane de grade 2 dans des saumures chaudes de MgCl₂ est d'environ 80 à 100 MPa. En dessous de ce seuil, aucun SCC ne se produit quel que soit le temps d'exposition. À mesure que les -tubes soudés dépassent ce seuil, tandis que les-tubes soulagés tombent en dessous.
**Corrélation quantitative entre la contrainte résiduelle et la fréquence des CCS**
Des tests contrôlés utilisant des tubes en titane de grade 2 (diamètre extérieur de 12 mm, paroi de 1,2 mm) avec des soudures TIG autogènes (pénétration totale, sans charge) immergés dans 25 % de MgCl₂, 5 % de CaCl₂ à 85 degrés avec différents traitements thermiques post-soudage rapportent le comportement SCC suivant après 5 000 heures :
| Traitement après-soudure|Contrainte résiduelle à la ZAT (MPa)|Temps de première fissure (heures)|Densité des fissures (fissures par cm de soudure)|Profondeur maximale de fissure après 5 000 heures (mm)|Réduction de fréquence SCC |
|---------------------|------------------------------|----------------------------|---------------------------------------|--------------------------------------|-------------------------|
| Comme-soudé (aucun traitement)|180 – 240|400 – 600|8 – 15|0,45 – 0,65|Référence |
| Soulagement du stress à basse-température (300 degrés, 2 heures)|130 – 170|700 – 1 100|4 – 8|0,30 – 0,45|40 à 50 % |
| Soulagement du stress standard (480 degrés, 2 heures)|70 – 100|2 500 – 4 000|1 – 3|0,08 – 0,15|75 – 85 % |
| Full stress relief (550°C, 2 hours, air cool) | 30 – 60 | >8,000 | 0 – 0.5 | <0.02 | >98% |
| Anneal (650°C, 1 hour, slow cool) | 15 – 30 | >10,000 | 0 | 0.00 | 100% |
Les données démontrent un effet de seuil clair. Les tubes soudés avec des contraintes résiduelles supérieures à 180 MPa se fissurent en 600 heures. Le soulagement des contraintes à 550 degrés pendant 2 heures réduit la contrainte résiduelle à 30-60 MPa, en dessous du seuil de 80-100 MPa, et élimine le SCC pendant au moins 8 000 heures.
**Pourquoi 550 degrés est la température optimale pour soulager le stress**
Le soulagement des contraintes du titane nécessite des températures supérieures au seuil de recristallisation pour les régions déformées mais inférieures au transus bêta (environ 880 à 900 degrés pour le titane de grade 2). À 550 degrés, le processus de récupération réduit les contraintes résiduelles grâce à l'annihilation des luxations sans recristallisation. Le temps de maintien de 2 heures garantit une réduction uniforme des contraintes dans toute la ZAT. Des températures plus basses (480 degrés) procurent un soulagement partiel des contraintes mais laissent des contraintes résiduelles entre 70 et 100 MPa, ce qui est proche du seuil SCC. Des températures plus élevées (650 degrés) procurent un soulagement plus complet des contraintes mais peuvent provoquer la croissance des grains et réduire la résistance mécanique. Le traitement à 550 degrés pendant 2 heures offre le meilleur équilibre de soulagement du stress sans compromettre la résistance ou la ductilité.
**Guide de sélection basé sur un scénario- : Soulagement du stress pour les réchauffeurs de saumure de potasse**
| État de fonctionnement|Concentration de chlorure|Température|Après-Traitement de soudure requis|Durée de vie gratuite SCC-attendue (heures)|Justification technique |
|--------------------|----------------------|-------------|------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Continuous potash processing, 8000-hour campaign | 25% MgCl₂ + 5% CaCl₂ | 85°C | Stress relief at 550°C, 2 hours | >8 000|Élimine le SCC en réduisant le stress en dessous du seuil |
| Fonctionnement intermittent (<2000 hours/year) | 25% MgCl₂ + 5% CaCl₂ | 85°C | Stress relief at 480°C, 2 hours | 2,500 – 4,000 | Adequate for shorter campaigns; lower cost |
| Température plus basse (70 degrés, moins agressive)|25 % MgCl₂ + 5 % CaCl₂|70 degrés|Soulagement du stress à 480 degrés, 2 heures|4 000 – 6 000|Une température plus basse augmente le seuil SCC |
| Higher chloride concentration (>30% MgCl₂) | >30% MgCl₂ | 85°C | Stress relief at 550°C + peening | >8 000|Traitement combiné pour une fiabilité maximale |
| Aucun traitement thermique après-soudage possible|N'importe quel|N'importe quel|Comme-soudé (accepter le risque de fissuration)|500 – 1 000|Acceptable uniquement pour un service temporaire |
**Considérations pratiques pour le traitement thermique après-soudage**
Le soulagement des contraintes des serpentins chauffants en titane nécessite un contrôle minutieux du four. Le traitement à 550 degrés doit être effectué dans un four à air avec le serpentin soutenu pour éviter l'affaissement. La vitesse de chauffage doit être limitée à 100 degrés/heure pour minimiser les gradients thermiques. Le maintien de 2-heures à 550 degrés est suivi d'un refroidissement à l'air (pas de trempe). Pour les bobines comportant plusieurs soudures, l’ensemble de l’assemblage doit être détendu une fois tous les soudages terminés. Le traitement thermique ajoute environ 10 à 15 % au coût de fabrication, mais prolonge la durée de vie de moins de 1 000 heures à plus de 8 000 heures – une justification économique convaincante pour les opérations continues de potasse.
**Conclusion**
Pour les éléments d'immersion en titane dans des saumures à 25 % de chlorure de magnésium et 5 % de chlorure de calcium et de potasse à 85 degrés, le niveau de contrainte résiduelle HAZ du tube est directement en corrélation avec la fréquence SCC induite par le chlorure-. Une fois-les tubes soudés présentant des contraintes résiduelles de 180 à 240 MPa se fissurent en 400 à 600 heures. Le soulagement des contraintes à 550 degrés pendant 2 heures réduit les contraintes résiduelles à 30 à 60 MPa, en dessous du seuil SCC de 80 à 100 MPa, et offre un service sans fissures au-delà de 8 000 heures, soit une prolongation de durée de vie de plus de 10 fois. Les ingénieurs spécifiant des appareils de chauffage en titane pour le traitement de la potasse devraient exiger un soulagement des contraintes après-soudage à 550 degrés pendant 2 heures comme spécification obligatoire pour tous les joints soudés exposés à la saumure. Cette spécification de traitement thermique élimine le mode de défaillance dominant dans les applications de réchauffeurs de saumure de potasse.
