Kako metoda upogibanja (trn v primerjavi s stiskanjem) titanovega U-cevnega grelnika vpliva na porazdelitev preostale napetosti pri upogibu in posledično na njegovo odpornost proti razpokam,-ki jih povzroči klorid v pomorski toplotni črpalki?

Osnovni kompromis-pri metodah upogibanja za pomorske titanove grelnike
Ladijske toplotne črpalke uporabljajo titanove U-cevne grelnike, potopljene v slano vodo ali slanico. Območje upogiba U-cevi je mesto z največjo koncentracijo napetosti in najbolj občutljivo na razpoke zaradi napetostne korozije (SCC), ki jih povzroča klorid. Dva običajna načina upogibanja povzročita različne porazdelitve preostale napetosti. Upogibanje s trnom uporablja notranjo oporo (trn) za sledenje notranjosti cevi med upogibanjem, kar ima za posledico gladko, dosledno debelino stene in minimalno preostalo napetost. Kompresijsko upogibanje, znano tudi kot ram upogibanje, potiska cev okoli fiksne matrice brez notranje podpore. Rezultat je sploščen prerez-z visokimi preostalimi nateznimi obremenitvami na zunanjem polmeru ali extradosse. Ti preostali sevi lahko v povezavi z izpostavljenostjo kloridom pri povišanih temperaturah (50–70 stopinj) povzročijo SCC. Ta predstavitev analizira dve metodi upogibanja in opisuje, zakaj je upogibanje na trnu prednostno za pomorske storitve in kako debelina stene vpliva na porazdelitev preostale napetosti.

Vpliv na mehansko celovitost: Preostala napetost zaradi upogibanja
Upogibanje s trnom uporablja notranji trn, ki podpira steno cevi med oblikovanjem, da se prepreči oslabitev stene in ohrani krožnost. Upogibna deformacija je enakomerna vzdolž preseka cevi. Po upogibanju trna so zaostale napetosti na splošno reda 50–100 MPa (natezne na ekstradosu in tlačne na intradosu). Te napetosti so pod pragom za iniciacijo SCC v titanu v morski vodi (približno 150-200 MPa). Upognjeno območje še vedno kaže odpornost na razpoke, ki jih povzroči klorid.

Pri tlačnem krivljenju (brez trna) pride do znatnega tanjšanja zunanje stene krivine (10–20 % zmanjšanje stene), upogibanja in morda gubanja notranje stene. Preostala natezna napetost na ekstradosih je lahko visoka do 200-300 MPa, kar je blizu ali presega mejo tečenja titana razreda 2 (275 MPa). Zaostale napetosti presegajo prag SCC. Kloridni ioni v slani vodi lahko pri 60 stopinjah povzročijo razpoke na ekstradosu upogiba v obdobju 6-12 mesecev. Razpoke rastejo intergranularno vzdolž močno obremenjenega območja, kar povzroči okvaro grelnika.

Toplotna učinkovitost Tanjšanje sten in prenos toplote
Kompresijsko upogibanje vodi do lokalnega tanjšanja stene na ekstradosu upogiba. Pri nominalni steni debeline 1,2 mm se lahko ekstrados debelina zmanjša na 0,9-1,0 mm s kompresijskim upogibanjem. Ta tanjši del je nekoliko toplejši (1-2 stopinji) kot ravni odseki za enako gostoto moči, kar lahko pospeši korozijo. Upogibanje trna ohranja dosledno debelino stene v upogibu in ohranja toplotno homogenost.

Sinteza kompromisa-: tehnika upogibanja in debelina stene
Metoda upogibanja Enakomernost debeline stene Preostala napetost pri Extrados (MPa) Tveganje SCC (morska voda, 60 stopinj) Priporočena debelina stene Življenjska doba (leta)
Stiskanje (spomin) Ne-enakomerno (10-20 % redčenje) 200-300 MPa Visoko (razpoke v 6-12 mesecih) Kakršno koli (brez prednosti)<2 years
Stiskanje + razbremenitev napetosti žarjenje Ne-enakomerno 80-120 МПа Nizko (po žarjenju) 1,5 mm (za preprečevanje tanjšanja) 5-8 let
Trn (notranja podpora) Enakomerno (±5 %) 50 – 100 MPa Brez (pod pragom) 1,0–1,2 mm 10+ let
Trn + elektropoliranje Enako 40 – 80 Mpa Brez 1,0 mm 15+ let
Optimalna kombinacija nizke preostale napetosti in odpornosti proti SCC je dosežena z upogibanjem trna s steno 1,0-1,2 mm. Za kompresijsko upogibanje v pomorskih storitvah ni dovoljeno žarjenje po upogibu, ne glede na debelino stene.

Metoda inženiringa zunaj upogibanja: žarjenje za razbremenitev napetosti
Kjer je zaradi proizvodnih omejitev potrebno upogibanje zaradi stiskanja, žarjenje za razbremenitev napetosti po upogibu (520 stopinj za 45 minut v atmosferi argona) zmanjša preostalo napetost za 60–80 %. Žarjene kompresijske-upognjene U-cevi imajo preostale napetosti 80–120 MPa, še vedno višje od tistih za upogibanje trna, vendar pod pragom SCC. Vendar pa se stena pri tlačnem upogibu stanjša, zato je treba uporabiti debelejšo nominalno steno (1,5 mm), da zagotovimo ustrezno debelino na ekstrado po tanjšanju (preostala debelina=1.2–1,3 mm). Kompresijsko upogibanje + žarjenje + debelejša stena lahko doseže 5-8 let delovanja v pomorskih toplotnih črpalkah, kar je sprejemljivo, vendar ne odlično.

Zaključek: upogibanje trna je prednostno za ladijske storitve za debelino stene 1,0–1,2 mm.
Metoda upogibanja titanovega U-cevnega grelnika v ladijski toplotni črpalki, izpostavljene slani vodi pri 60 stopinjah, je bistvenega pomena za porazdelitev preostale napetosti pri upogibu in odpornost na razpoke,-ki jih povzroči klorid. Upogibanje trna (z notranjim nosilcem) zagotavlja homogeno debelino stene in nizke preostale napetosti (50–100 MPa) pod pragom SCC, kar omogoča, da običajna stena debeline 1,0–1,2 mm zagotavlja 10+ let delovanja. Tlačno upogibanje (brez trna) vodi do stanjšanja stene in visokih preostalih napetosti (200–300 MPa) nad pragom SCC, kar povzroči razpoke v 6–12 mesecih, ne glede na debelino stene. Priporočeni standard so cevi iz titana z ukrivljenim trnom stopnje 2, debeline stene od 1,0 do 1,2 mm, z elektropolirano površino. Če je potrebno kompresijsko upogibanje, potrebujete žarjenje za razbremenitev napetosti po upogibu in debelejšo steno (1,5 mm), da nadomestite tanjšanje, vendar pričakujte krajšo življenjsko dobo (5-8 let). Če naročite U-cevne grelnike za pomorske toplotne črpalke, navedite krivljenje trna in zahtevajte dokazilo o meritvi preostale napetosti (<100 MPa) in the bend region. Wall thickness is no substitute for good bending exercise.