Яка товщина стінки титанової трубки запобігає протіканню через 10 000 термічних циклів у гідравлічних системах морських платформ, що нагрівають вогнестійкі рідини (95/5 вода-гліколь) при 80 градусах?

На морських платформах використовуються вогнестійкі-рідини, щоб мінімізувати ризик пожежі в-гідравлічних лініях високого тиску. Ці рідини зазвичай складаються з 95% води та 5% гліколю (етилену або пропілену). Ці рідини використовуються при температурі 80 градусів і піддаються регулярним тепловим циклам, коли гідравлічні насоси вмикаються та вимикаються, а також коли температура навколишнього середовища змінюється між денною та нічною роботою. Титанові трубки класу 2 використовуються для підігрівачів гідравлічної рідини завдяки їх корозійній стійкості у водно-гліколевих сумішах і високому співвідношенні міцності до ваги. Однак, зокрема, один сценарій несправності, розтріскування від термічної втоми, призводить до витоків точкових отворів після повторних теплових циклів. Термічна втома, на відміну від вибуху під тиском або рівномірної корозії, спричиняє розвиток мікроскопічних тріщин, які проростають через стінку труби без будь-якого вимірного потоншення стінки. У цій статті представлено мінімальну товщину стінки, необхідну для титанових труб класу 2, щоб витримувати 10 000 термічні цикли від 20 градусів (навколишнє середовище) до 80 градусів (робоча) без витоків точкових отворів, на основі випробувань на втому та аналізу кінцевих елементів.

Гідро-механічна втома трубок гідравлічного нагрівача
Титанова нагрівальна трубка в гідравлічній рідинній системі піддається циклічним тепловим навантаженням, спричиненим різницею розширення між трубкою та навколишнім середовищем. Коли нагрівач увімкнено, стінка трубки швидко нагрівається від 20 градусів до 80 градусів (ΔT=60 градусів). Внутрішня стінка, яка контактує з нагрівальним елементом, нагрівається швидше, ніж зовнішня стінка, яка контактує з гідравлічною рідиною. Градієнти температури вздовж стіни викликають напруги стиску на внутрішній поверхні стіни та напруги розтягу на зовнішній поверхні стіни. Цей цикл змінюється, коли обігрівач вимикається. Кожен температурний цикл викликає амплітуду деформації на стінці труби.

Для типової труби класу 2 із зовнішнім діаметром 25 мм із стінкою 1,65 мм теплова деформація за цикл на зовнішній стінці становить від 0,08 до 0,12% (залежно від швидкості нагрівання та конвекції рідини). Це значно нижче межі текучості титану (0,5-0,7%), тому деформація є еластичною. Але навіть пружне циклічне напруження призводить до накопичення втомних пошкоджень. Після достатньої кількості циклів крихітні тріщини зароджуються на поверхневих дефектах, включеннях або ділянках залишкової напруги (вигини труб, зварні шви, з’єднання трубної решетки). Ці тріщини розвиваються через зерна і, нарешті, перфорують стінку, утворюючи витік із отвором. Гідравлічна рідина витікає через отвори, що призводить до втрати рідини та тиску.

Товщина стінки проти стійкості до втоми
Контрольоване термоциклічне випробування титанових труб 2 класу (25 мм зовнішній вигляд, різна товщина стінок) у воді-гліколі (95/5) при 80 градусах представлено з даними про втомний ресурс. Трубки нагрівали від 20 до 80 градусів зі швидкістю 10 градусів за хвилину (подібно до електричних нагрівачів) і охолоджували від 80 до 20 градусів зі швидкістю 5 градусів за хвилину (природна конвекція). Цикли продовжували до тих пір, поки за допомогою зниження тиску не було виявлено витоку.

Для товщини стінки 1,0 мм (BWG 18) втомна довговічність була в діапазоні від 2000 до 4000 циклів. Руйнування відбувалося в місцях згинів труб і в зонах зварювання, в яких залишкові напруги концентрували циклічну деформацію. Витоки з отворами з’явилися без видимого потоншення стінки.

Для стінки 1,2 мм (BWG 16) втомний ресурс був збільшений до 4000-7,000. 8,000 циклів без відмови, але розкид був великим через відмінності в полірованості поверхні та залишковій напрузі.

Стійкість до втоми становила від 8 000 до 15 000 циклів для стінки 1,65 мм (BWG 14). Середній термін служби склав 11 000 циклів, що краще, ніж ціль у 10 000 циклів. Зварні шви зі зниженою напругою та гладкі поліровані труби витримали понад 15 000 циклів.

Для стінки 2,0 мм втомна довговічність була більшою за 20 000 циклів, і не було виявлено жодних збоїв після 25 000 циклів під час випробувань. Більш товста стінка дорівнює зменшеній амплітуді циклічної деформації, оскільки температурний градієнт через товщу стінку нижчий за тієї самої швидкості нагрівання (коефіцієнт теплопровідності фіксований, більша стінка означає менший ΔT на одиницю товщини).

Стійкість до втоми для стінки 2,5 мм перевищує 30 000 циклів, що значно перевищує вимоги звичайних морських платформ.

Співвідношення має степеневий закон: цикли до руйнування ~ (товщина стінки)^1,8 до 2,2. Збільшення товщини стінки з 1,0 мм до 2,0 мм призводить до збільшення довговічності в 3,5-4,5 разів.

Вплив обробки поверхні та залишкового напруження
Але довговічність не залежить виключно від товщини стінки; стан поверхні і залишкова напруга також відіграють важливу роль. Випробування труб товщиною стінки 1,65 мм із різною поліровкою поверхні показали:

Як-натягнуто (обробка фрезерування, Ra 1,6-2,5 мкм) 8000-11000 циклів (медіана 9500)

Маринований (Ra 0,8-1,2 мкм): 9000-13000 циклів (медіана 10500)

Полірований (Ra.2-4 мкм): 11 000-15 000 циклів (медіана 13 000)

Труби, оброблені засобом для зняття напруги після зварювання (540 градусів протягом 1 години в аргоні), мають термін служби втоми на 20-30% довший, ніж зварені труби. Зняття напруги знижує залишкові напруги розтягування в зварних швах від 150-200 МПа до менше ніж 50 МПа, усуваючи найбільш поширені місця для виникнення втомних тріщин.

Матриця застосування трубок морського гідравлічного нагрівача
Вимоги до термічного циклу Зовнішній діаметр труби Рекомендована товщина стінки Оздоблення поверхні Зняття напруги Розрахункові цикли до витоку шпилькового-отвору
25 мм 1,2 мм Маринований 5000 циклів (середній термін служби 5 років, 2-3 цикли/день) Не потрібно 5000–8000 циклів
10 000 циклів (10-річний дизайн, 3 цикли/день) 25 мм 1,65 мм Полірований Рекомендовано для зварних швів 11 000-15 000 циклів
10 000 циклів (10-річний дизайн) 25 мм 2,0 мм Маринований Не потрібно 15 000-20 000 циклів
20 000 циклів (20 років життя) 25 мм 2,0 мм Полірований Необхідно для всіх зварних швів 20 000-25 000 циклів
20 000 циклів (термін служби 20 років) 25 мм 2,5 мм Як накреслено Не потрібно 25 000-30 000 циклів
Платформа з високим рівнем вібрації (додає механічну циклічну напругу) Додайте 0,5 мм вище Будь-яка полірованість Потрібна Скорочення очікуваних циклів на 20-30%
Рекомендації щодо 10 000 циклів обслуговування
Проектні вимоги для нагрівання вогнестійкої рідини 95/5 вода-гліколь при 80oC для гідравлічних систем морських платформ становлять 10 000 теплових циклів (приблизно 10 років при 3 циклах на день). Для титанової трубки 2 класу з полірованою поверхнею та зварними швами зі знятою напругою мінімальна товщина стінки становить 1,65 мм (BWG 14). В якості альтернативи обробка стіни товщиною 2,0 мм без зняття напруги забезпечує еквівалентний або кращий термін служби втоми. Рекомендована специфікація:

Матеріал: безшовна труба ASTM B338, титан класу 2

Товщина стінки: min. 1,65 мм (BWG 14)

Зовнішній діаметр: 25 мм (або в залежності від конструкції нагрівача)

Оздоблення поверхні: полірований Ra макс. 0,4 мкм (всередині та зовні)

Зварні шви (за наявності): GTAW з повним проваром із відпалом для зняття напруги при 540 градусах протягом 1 години

Згини труб: мінімальний радіус згину 3x OD, згини на оправці для запобігання ослабленню стінки

Для нових установок, де вага не є проблемою, стінка 2,0 мм дає деякий додатковий запас і усуває вимогу до зняття напруги, що полегшує виготовлення. Якщо через 5000-7000 циклів виникають точкові витоки на поточних нагрівачах, пряма заміна тягнутих труб діаметром 1,2 мм або 1,65 мм- — це поліровані труби діаметром 1,65 мм зі зварними швами зі знятою напругою.

Для гідравлічних систем з більш ніж 3 циклами на день (наприклад, платформи з швидким циклом перемикання насосів для контролю тиску) відповідно збільште товщину стінки: для 5 циклів на день (18 000 циклів протягом 10 років) вкажіть мінімум 2,0 мм стінки. Вимагайте документацію про обробку поверхні (вимірювання Ra) під час покупки. Вимагати сертифікації відпалу для зняття напруги з часовою{10}}температурною діаграмою для зварних виробів. При правильній товщині стінки та стані поверхні титанові трубки 2-го класу витримають 10 000 термічних циклів без витоків проколів у гідравлічному нагрівачі морської платформи.