Les tuyaux soudés en titane Gr5 peuvent-ils être utilisés à basse température ?
Apr 02, 2024
La réponse courte est oui, avec des qualifications qui comptent. Le grade 5, l'alliage Ti-6Al-4V, conserve une ténacité utile à basse température car le titane a une structure hexagonale serrée et ne présente pas la transition ductile à fragile que présentent les aciers ferritiques. Ce qui limite les tuyaux soudés de grade 5 en service à froid, ce n'est pas le métal de base mais la soudure et le contenu interstitiel qui l'entoure.
Quel effet la basse température sur le titane
À mesure que la température baisse, le titane gagne en résistance et en rigidité tout en perdant une certaine ductilité. La résistance à la traction à la température de l'azote liquide est environ la moitié de la valeur à température ambiante, et l'augmentation est douce plutôt que brusque. Il n'existe pas d'équivalent à la température de transition Charpy qui régit la sélection des aciers au carbone et faiblement alliés, le concepteur n'a donc pas besoin de rechercher une courbe de transition. Les problèmes pratiques sont plutôt la sensibilité aux encoches, la contraction thermique inadaptée aux composants en acier adjacents et le comportement de transfert de chaleur en service cryogénique.
Pourquoi la soudure régit la limite
Un tuyau soudé comporte une zone de fusion et une zone affectée thermiquement dont la structure diffère de celle du métal de base. Dans Ti-6Al-4V, la soudure refroidit en une structure grossièrement transformée, et comme le bain de fusion est fondu dans l'air, c'est également l'endroit où la capture d'oxygène et d'azote est la plus probable. Les deux effets diminuent la ténacité. A température ambiante, la réduction peut être tolérée dans de nombreuses tâches ; à basse température, où la réserve de ductilité est déjà plus petite, elle devient le facteur déterminant. C'est pourquoi les tubes soudés destinés à un service à froid sont normalement spécifiés avec une procédure de soudage qualifiée, un blindage complet et, au-dessus des limites d'oxygène à température ambiante, une vérification de la soudure plutôt que de la plaque.
Limites chimiques et de propriétés selon ASTM B338
| Élément ou propriété | Limite de niveau 5 selon ASTM B338 |
|---|---|
| Aluminium | 5,5 à 6,75 % |
| Vanadium | 3,5 à 4,5 % |
| Oxygène | 0,20 % maximum |
| Azote | 0,03 % maximum |
| Carbone | 0,08 % maximum |
| Hydrogène | 0,015 % maximum |
| Fer | 0,30 % maximum |
| Résistance à la traction, min | 895 MPa (130 ksi) |
| Limite d'élasticité, décalage de 0,2 %, min | 828 MPa (120 ksi) |
| Allongement, min | 10 % |
Ces minimums s’appliquent à température ambiante, comme le font toutes les valeurs de spécification standard. Ils constituent la bonne base de commande, mais ils ne constituent pas une garantie du comportement à basse température, qui doit être établi séparément.
Interstitiels, hydrogène et ductilité à basse température
| Élément | Effet | Action pour le service froid |
|---|---|---|
| Oxygène | Augmente la force et diminue la ténacité ; l'influence la plus forte sur la ductilité à basse température | Commandez la teneur en oxygène la plus basse autorisée par la qualité et vérifiez-la sur le certificat |
| Azote | Renforçant interstitiel puissant avec un effet fragilisant disproportionné en cas de captation lors du soudage | Protection complète contre un gaz inerte pendant le soudage et contrôle de la couleur de la soudure |
| Hydrogène | Forme un hydrure cassant une fois la limite de solubilité solide dépassée | Respectez le maximum de 0,015 % et évitez les nettoyages acides qui favorisent le ramassage- |
| Fer | Stabilisateur bêta qui modifie l'équilibre des phases à un contenu plus élevé | Contrôler comme limite de spécification plutôt que comme élément trace |
Là où le service le plus froid est attendu, la version interstitielle extra faible de l'alliage est normalement sélectionnée. Réduire l'oxygène de 0,20 % à un niveau beaucoup plus bas améliore considérablement la résistance à la température, et c'est exactement la logique qui sous-tend les qualités ELI utilisées pour les travaux cryogéniques et médicaux.
Comparaison des qualités pour le service à froid
| Grade | Base de chimie | Comportement du service à froid |
|---|---|---|
| 1re année | Titane non allié, 0,18 % maximum d'oxygène | Excellente ductilité à basse température, faible résistance |
| 2e année | Titane non allié, 0,25 % maximum d'oxygène | Bonne ductilité, le choix non allié à usage général |
| 5e année | Ti-6Al-4V, 0,20 % maximum d'oxygène | Haute résistance avec une ténacité conservée ; le comportement de la soudure doit être qualifié |
| ELI de 5e année | Ti-6Al-4V avec interstitiels très faibles | Meilleure combinaison de résistance et de ténacité à basse température |
| 12e année | Titane avec 0,3 % de molybdène et 0,8 % de nickel | Résistance améliorée à la corrosion à température modérée, utilisée lorsque des fluides réducteurs sont impliqués |
Que vérifier avant d'utiliser des tuyaux soudés de qualité 5 en dessous de zéro
Confirmez le contenu interstitiel livré par rapport au certificat, obtenez la qualification de la procédure de soudage et le dossier d'acceptation de la couleur de soudure, et vérifiez si le dessin nécessite un recuit après-soudage ou une relaxation des contraintes. Vérifiez l'espacement des supports et tous les composants en acier qui se contracteront différemment de la ligne en titane. Enfin, soyez explicite sur la température de conception et si le service à basse température est continu ou seulement un démarrage et un arrêt transitoire, car les deux cas justifient des niveaux de qualification différents.
Foire aux questions
Q:Les tuyaux soudés en titane de grade 5 peuvent-ils être utilisés à basse température ?
R : Oui, dans de nombreuses fonctions. Le Ti-6Al-4V conserve une ténacité utile car le titane ne présente pas de transition ductile à fragile, mais la zone de soudure et le contenu interstitiel doivent être contrôlés et l'application qualifiée.
Q:Le titane devient-il fragile à basse température comme l'acier au carbone ?
R : Non. La structure hexagonale serrée signifie qu’il n’y a pas de transition brusque, de sorte que la résistance augmente progressivement à mesure que la température diminue tandis que la ductilité diminue progressivement.
Q:Quel est le point le plus faible d’un tube Gr5 soudé à basse température ?
R : La zone de fusion et la zone affectée par la chaleur, qui ont une structure plus grossière et tout oxygène ou azote capté pendant le soudage ; la ténacité y est inférieure à celle du métal de base.
Q:Quelle qualité privilégier pour le service le plus froid ?
R : Une qualité interstitielle très faible du même alliage, car la réduction de l'oxygène améliore nettement la ténacité à basse température tout en préservant l'avantage de résistance par rapport au titane non allié.
Q:Que faut-il vérifier sur le certificat du moulin ?
R : Teneur en oxygène, azote, hydrogène et fer, état de traitement thermique du tuyau fini et qualification de la procédure de soudage ainsi que le dossier d'acceptation de la couleur de la soudure.
