En un sistema de protección catódica de agua de mar de 90 grados, los calentadores de titanio están sujetos tanto al ataque corrosivo como a la fragilización por hidrógeno. El borde de la soldadura es una región de alta concentración de tensiones. Como-las uniones soldadas tienen un factor de concentración de tensión (SCF) de 3 a 5, mientras que las puntas de soldadura pulidas reducen el SCF a menos de 1,2. El SCF más alto amplifica las tensiones de tracción, lo que promueve el agrietamiento inducido por hidrógeno-y la iniciación de grietas por fatiga. La reducción del SCF mediante el pulido extiende la vida útil en un factor de 5. La mejora se observa tanto en la funda de titanio como en el cable de resistencia interior.

El mecanismo de influencia del factor de concentración de estrés en la vida fatigada

En una unión soldada, el borde de la soldadura actúa como una muesca que concentra las tensiones aplicadas y residuales. La tensión efectiva en el borde de la soldadura es σ_max=SCF × σ_nominal. Para una unión soldada-con SCF=4, una tensión nominal de 50 MPa produce una tensión local de 200 MPa, acercándose al límite elástico del titanio de Grado 2. Para una unión pulida con SCF=1.2, la misma tensión nominal produce una tensión local de sólo 60 MPa. En un sistema de protección catódica, los átomos de hidrógeno se generan en la superficie del titanio. La tensión de tracción atrae hidrógeno a la región de tensión triaxial máxima en el pie de la soldadura, donde precipitan los hidruros y se inician las grietas. Un SCF más bajo reduce la fuerza impulsora para la acumulación de hidrógeno.

Vida de fatiga cuantitativa en función de la condición de la punta de soldadura

Las pruebas de carga cíclica controlada en agua de mar a 90 grados con protección catódica a -0,85 V frente a Ag/AgCl han establecido las siguientes vidas de fatiga para uniones soldadas de titanio Grado 2. Para una unión soldada con una muesca aguda (SCF 4–5), los ciclos hasta el inicio de la fisura son de 10 000 a 30 000, y la vida relativa a la soldadura es 1,0. Para una unión as-soldada con geometría promedio (SCF 3–4), los ciclos son 20 000–50 000 y la vida relativa es 1,5. Para una junta rectificada lisa (SCF 1,5–2), los ciclos son 50 000–150 000 y la vida relativa es 3,0. Para una junta pulida mecánicamente (SCF 1,2–1,5), los ciclos son 80 000–200 000 y la vida relativa es 4,0. Para una unión electropulida con SCF inferior a 1,2, los ciclos son de 150 000 a 300 000 y la vida relativa es de 5 a 7 veces mayor que la de la condición soldada.

Influencia del potencial de protección catódica en la sensibilidad del SCF

El beneficio del pulido aumenta a medida que el potencial de protección catódica se vuelve más negativo (más protector). A -0,80 V frente a Ag/AgCl, la vida-soldada es de 100 000 a 200 000 ciclos, la vida pulida es de 500 000 a 1 000 000 de ciclos y la relación de vida es de 5. A -0,85 V, la vida soldada-es 30 000 a 60 000 ciclos, la vida útil del pulido es de 150 000 a 300 000 ciclos y la relación sigue siendo 5. A -0,90 V, la vida soldada es de 10 000 a 20 000 ciclos, la vida pulida es de 50 000 a 100 000 ciclos y la relación es 5. A -0,95 V, la La vida soldada es de 5000 a 10 000 ciclos, la vida pulida es de 25 000 a 50 000 ciclos y la relación es 5. La mejora constante de 5 veces indica que el pulido aborda el mecanismo fundamental de concentración de tensiones independientemente de la vida absoluta.

Guía de acabado de puntas de soldadura para el servicio de protección catódica

La siguiente tabla proporciona recomendaciones para el acabado de puntas de soldadura para calentadores de titanio en sistemas de protección catódica de agua de mar de 90 grados, según los requisitos de vida cíclica esperada.

Ingeniería más allá del acabado de puntas soldadas

El grado de titanio afecta la resistencia a la fatiga independientemente del SCF. El grado 7 tiene una sensibilidad SCF similar pero una mayor resistencia a la fatiga intrínseca debido al enriquecimiento en paladio. El espesor de la pared influye en la tensión nominal para una carga determinada; una pared de 2,0 mm tiene una tensión menor que una pared de 1,0 mm para el mismo momento flector. La forma del refuerzo de soldadura es importante; una transición suave con un radio superior a 3 mm reduce el SCF más que el rectificado solo. El recocido para aliviar la tensión posterior a la soldadura a 540 grados durante 30 minutos reduce las tensiones residuales entre un 60% y un 80%, lo que mejora aún más la vida útil ante la fatiga. El potencial de protección catódica debe controlarse entre -0,80 y -0,85 V, no más negativo, para minimizar el desprendimiento de hidrógeno.

Hacer una especificación informada

For a titanium immersion heater in 90°C seawater cathodic protection service, specify that all weld toes be electropolished to achieve a stress concentration factor below 1.2. Require profilometer measurements to verify that the weld toe radius exceeds 3 mm. For existing heaters with as-welded joints, add a stress relief anneal and grind the weld toes smooth. During operation, inspect the weld area annually using dye penetrant; if cracks are detected, regrind and repolish. By reducing the stress concentration factor from >3 a<1.2 through polishing, the engineer extends the fatigue life of titanium heater welds by a factor of 5 in cathodically protected seawater.