Як частота запуску/зупинки насоса (6 разів/день проти . 2 разів/день) у глибокому{0}}занурювальному титановому нагрівачі, що перекачує 15 000 частин на мільйон хлоридної води при 70 градусах, впливає на довговічність фланцевого шва?

Глибокі занурювальні титанові нагрівачі зазнають циклічних механічних навантажень через процеси запуску та зупинки насоса. Насос запускається раптово, і раптово тече 15 000 ppm хлоридної води при 70 градусах, викликаючи підвищення тиску гідроудару. Коли насос зупиняється, потік припиняється, тиск коливається і може змінитися. Ці цикли тиску спричиняють циклічні деформації у зварному шві фланця, з’єднанні між нагрівачем і головкою насоса або напірною трубою. Крива S-N пов’язує амплітуду напруги з кількістю циклів до руйнування, а довговічність зварного шва втомою визначається цією кривою S-N. Збільшена частота запуску/зупинки насоса (6 разів на день проти . 2 разів на день) відповідно збільшує кількість циклів на рік і зменшує термін служби. Утворення втомних тріщин прискорюється при 70 градусах в корозійно-хлоридному середовищі, а термін служби ще більше скорочується порівняно з прісною водою.

Корозійна втома фланцевого шва в хлоридно-водному механізмі

Зварний шов фланця є областю залишкової напруги розтягу, мікроструктурної неоднорідності та концентрації напруги. Кожен цикл запуску/зупинки насоса викликає амплітуду напруги (Δσ) на зварному шві, як правило, в діапазоні 20–50 МПа через стрибки тиску гідроудару. Циклічне напруження локально руйнує пасивну плівку на зварному шві в 15 000 ppm хлоридної води при 70 градусах. Відкритий метал піддається впливу іонів хлориду, і на зварювальних швах виникають тріщини. Кожен цикл розширює тріщину на 0,1-1 мкм. Швидкість росту тріщини визначається Паризьким законом як: da/dN=C(DeltaK) m Де DeltaK — діапазон коефіцієнта інтенсивності напруги. Коефіцієнт С збільшується в 2-5 разів в порівнянні з умовами повітря або прісної води через корозію.

Кількісний довговічність у втомі як функція швидкості старт/зупинка

Витривалість була визначена для типового титанового фланцевого шва класу 2 (діаметр 20 мм, товщина стінки 1,5 мм) з коефіцієнтом концентрації напружень K t=3 і стрибком тиску 5 бар (Δσ ≈ 45 МПа на ноці зварного шва). Втомний ресурс для частоти запуску/зупинки 2 рази на день (730 циклів на рік) становить від 500 000 до 1 000 000 циклів, або від 685 до 1370 років, без обмежень. При 6 разах на день (2190 циклів на рік) термін служби втоми становить від 400 000 до 800 000 циклів, або від 180 до 365 років, що все ще безпечно для практичного застосування. Стійкість до втоми зменшується до 200 000-500 000 циклів при 30 циклах на день (10 950 циклів на рік) або від 18 до 45 років, що є прийнятним для більшості застосувань. Зі швидкістю 120 циклів на день (43 800 на рік або приблизно кожні 12 хвилин) Термін служби втомного циклу становить від 80 000 до 200 000 циклів або від 2 до 5 років, і існує ймовірність втомного руйнування. При 500 циклах на день (182 500 циклів на рік, приблизно кожні 3 хвилини) термін служби втомленості падає нижче 50 000 циклів, що становить менше 3 місяців, і неприйнятно.

Вплив концентрації хлоридів і температури на скорочення втомного ресурсу

The corrosion fatigue life decrease factor is dependent on chloride concentration and temperature. The fatigue life at 2 cycles per day is >2,000 years and at 6 cycles per day is >1000 років у прісній воді при 70 градусах з 0 ppm хлориду. Коефіцієнт скорочення ресурсу=1.0. 15,000 ppm хлориду 70ºC Термін служби втоми при 2 циклах на день 500 - 1,000 років Термін служби втоми при 6 циклах на день 180 - 365 років Коефіцієнт зниження ~ 0,5 При 70 градусах у 30 000 ppm хлориду термін служби втоми становить 300-600 років при 2 циклах на день і 100-200 р. по 6 циклів на добу. Понижуючий коефіцієнт 0,3. Стійкість до втоми при 2 циклах на день становить 200-400 років, а при 6 циклах на день - 70-150 років у 15 000 ppm хлориду при 90 °C з коефіцієнтом зниження 0,25.

Посібник із керування частотою пуску/зупинки та втомним ресурсом

У таблиці нижче наведено рекомендовану максимальну частоту запуску/зупинки для глибинних -занурювальних титанових нагрівачів, що працюють у 15 000 ppm хлоридної води при 70 градусах, на основі очікуваного терміну служби та застосування методів зменшення втоми.

Бажаний термін служби (роки) Концентрація хлориду (ppm) Максимальна рекомендована частота пусків/зупинок (цикли/день) Необхідне пом’якшення Очікуваний запас витривалості
20 <5,000 100 2× None 20 15,000 20 2× Soft-start controller 10 15,000 50 2× Soft-start + weld stress relief
10 30,000 15 2× Плавний-запуск + титан класу 7
5 15,000 80 2× Плавний старт + щорічний огляд
5 30,000 25 2× ступінь 7 + стресу-знято
Контроль частоти для проектування Beyond Start/Stop

Якість титану впливає на стійкість до втоми в корозійних середовищах. Ступінь 7 подібна до класу 2 за втомною міцністю, але має кращу корозійну стійкість і, таким чином, зменшує коефіцієнт прискорення корозійної втоми на 30–50%. Якість зварювання має вирішальне значення. Гладкий перехідний зварний шов на одному рівні має коефіцієнт концентрації напружень K t 1,5-2 проти 3-5 для -зварного з’єднання. При збільшенні товщини стінки з 1,5 мм до 2,5 мм амплітуда напруги для однакового стрибка тиску зменшується на 30%. Відпал для зняття напруги після зварювання при 540 градусах протягом 30 хвилин мінімізує залишкові напруги та подвоює втомний ресурс. Контролер насоса з плавним пуском знижує скачки тиску гідроудару на 50-70 %.

Створення інтелектуальної специфікації

Розробіть систему керування насосом для титанового глибоководного нагрівача в 15000 ppm хлоридної води при 70 °C, щоб обмежити частоту запуску/зупинки до 6 циклів на день або менше. Для додатків, які потребують частішого циклу, вкажіть контролер плавного пуску, щоб зменшити стрибки тиску. Усі фланцеві зварні шви повинні бути відшліфовані врівень до висоти посилення менше 0,1 мм і зняти напругу при 540 градусах протягом 30 хвилин у середовищі аргону. Модернізуйте наявні високочастотні нагрівачі з частотним приводом для поступового збільшення швидкості насоса. Раз на рік перевіряйте фланцевий зварний шов пенетрантом. Якщо спостерігаються будь-які тріщини, негайно замініть нагрівач. Інженер керує частотою запуску/зупинки насоса та якістю зварювання, щоб запобігти корозійній втомі, яка обмежує термін служби зварних швів фланців титанового нагрівача в грунтових водах із високим-хлоридом.