Чому титановий занурювальний нагрівач із полірованою привареною опорою (фактор концентрації напруги)<1.2) Outlast an As-Welded Joint (SCF >3) за коефіцієнтом 5 у 90-градусній системі катодного захисту морської води?

Титанові нагрівачі в 90-градусній системі катодного захисту від морської води піддавалися корозії та водневій крихкості. Носок зварного шва є зоною високої концентрації напруги. SCF як-зварних з’єднань становить 3-5, а полірованих зварних кінців — нижче 1,2. Більший SCF призводить до збільшення напружень розтягування і, отже, до збільшення розтріскування, викликаного воднем, і виникнення втомної тріщини. Полірування для зменшення SCF збільшує термін служби в 5 разів. Поліпшення видно в титановій оболонці та опорному дроті всередині.

Роль фактора концентрації напружень у довговічності у втомі

Зварне з'єднання - це виїмка, де зварний носок зосереджує прикладені та залишкові напруги. Напруга зварного шва визначається як σ_max=SCF, помножене на σ_nominal. З SCF 4 для-зварного з’єднання номінальна напруга 50 МПа створює місцеву напругу 200 МПа, близьку до межі текучості титану класу 2. З SCF=1.2 для полірованого з’єднання та сама номінальна напруга створює локальну напругу лише 60 МПа. У системі катодного захисту атоми водню створюються на поверхні титану. Розтягуюча напруга притягує водень до положення максимального тривісного напруження в точці зварного шва, де виділяються гідриди та починаються тріщини. Нижня SCF зменшує рушійну силу накопичення водню.

Втомна довговічність як функція стану носка зварного шва, кількісна

Втомний термін служби титанових зварних з’єднань 2-го класу було отримано в результаті випробувань із контрольованим циклічним навантаженням у морській воді при температурі 90 градусів із катодним захистом при -0,85 В проти Ag/AgCl. Термін служби -зварного з’єднання з гострою насічкою (SCF 4-5) становить 10 000-30 000 циклів до початку розтріскування. Для зварного з'єднання із середньою геометрією (SCF 3-4) цикли становлять 20 000-50 000, а відносний ресурс становить 1,5. Шліфування гладкого шва (SCF 1,5-2) 50 000-150, 000 3.0 Для механічно полірованого з’єднання (SCF 1,2-1,5) цикли становлять 80 000-200 000, а відносний термін служби становить 4,0. Для електрополірованого з’єднання з SCF менше 1,2 цикли становлять 150 000-300 000, а відносний термін служби в 5-7 разів перевищує стан після зварювання.

Вплив потенціалу катодного захисту на чутливість SCF

Перевага полірування збільшується з більшим негативним потенціалом катодного захисту (більш захисним). -Срок служби зварного шва становить 100 000-200 000 циклів. Термін служби полірованого 500 000-1 000 000 циклів. Коефіцієнт ресурсу становить 5 при -0,80 В порівняно з Ag/AgCl. При -0,85 В зварний матеріал має термін служби 30 000-60 000 циклів, полірований має термін служби 150 000-300 000 циклів, і співвідношення все ще дорівнює 5. Термін служби після зварювання при -0,90 В становить 10 000-20 000 циклів, термін служби полірованого становить 50 000-100 000 циклів і коефіцієнт становить 5. Термін служби після зварювання при -0,95 В становить 5 000-10 000 циклів, термін служби полірованого 25 000-50 000 циклів і коефіцієнт 5. Послідовне покращення 5 разів демонструє, що полірування усуває основну причину механізму концентрації напруги незалежно від абсолютного терміну служби.

Посібник із пов’язування швів для служб катодного захисту

У наведеній нижче таблиці наведено рекомендації щодо фінішної обробки зварного шва для титанових нагрівачів у системах катодного захисту морської води 90 градусів на основі очікуваних вимог до циклічного терміну служби.

Очікувані цикли протягом необхідного терміну служби SCF Рекомендована обробка зварювального пальця Очікувана втомна довговічність (цикли) відносно As-Welded<10,000 <4 As-Welded (any) 10,000-30,000 1x 10,000-50,000 <3 As-welded (smooth) 20,000-50,000 1.5x 50,000-150,000 <2 Ground smooth 50,000-150,000 3x 150,000-300,000 <1.5 Mechanically polished 80,000-200,000 4x >300,000 <1.2 Electropolished 150,000-300,000 5-7x Engineering Beyond Weld Toe Finishing

На стійкість до втоми впливає клас титану незалежно від SCF. Клас 7 так само чутливий до SCF, але має більш високу власну втомну міцність завдяки збагаченню паладієм. Для заданого навантаження номінальна напруга залежить від товщини стінки. Стінка товщиною 2,0 мм дає меншу напругу, ніж стінка товщиною 1,0 мм для того самого згинального моменту. Необхідно враховувати форму арматури шва. Плавний перехід (радіус > 3 мм) зменшує SCF більше, ніж просто шліфування. Від-відпал для зняття напруги після зварювання при 540 градусах протягом 30 хвилин зменшує залишкові деформації на 60–80% і значно підвищує термін служби втоми. Потенціал катодного захисту має бути відрегульований на рівні від -0,80 до -0,85 В, але не більш негативним, щоб мінімізувати виділення водню.

Написання інформованої специфікації

Specify electropolish all weld toes to a stress concentration factor less than 1.2 for titanium immersion heater in 90°C seawater cathodic protection service. Require profilometer readings to verify that the weld toe radius is more than 3 mm. For existing heaters with as-welded joints, include a stress-relief anneal and grind the weld toes smooth. During operation, examine the weld area annually using dye penetrant and regrind and repolish if cracks are found. Polishing the titanium heater welds reduces the stress concentration factor from >3 до<1.2 and increases the fatigue life by a factor of 5 in cathodically protected seawater.