Kakšna debelina stene titanove cevi v hidravličnih sistemih na morski ploščadi, ki segrevajo ognje{0}}odporne tekočine (95/5 voda-glikol) pri 80 stopinjah, preprečuje puščanje po 10.000 termičnih ciklih?

Na morskih ploščadih se uporabljajo-ognjeodporne tekočine za zmanjšanje tveganja požara v visoko{1}}tlačnih hidravličnih vodih. Te tekočine so običajno sestavljene iz 95 % vode in 5 % glikola (etilena ali propilena). Te tekočine se uporabljajo pri 80 stopinjah in so podvržene rednemu toplotnemu ciklu, ko se hidravlične črpalke vklapljajo in izklapljajo ter ko se temperatura okolja spreminja med dnevnim in nočnim delovanjem. Cevi iz titana razreda 2 se uporabljajo za grelnike hidravlične tekočine zaradi svoje odpornosti proti koroziji v mešanicah vode-glikola in visokega razmerja med trdnostjo in težo. Vendar pa zlasti en scenarij okvare, pokanje zaradi toplotne utrujenosti, povzroči puščanje lukenj po ponavljajočih se toplotnih ciklih. Toplotna utrujenost, za razliko od poka zaradi tlaka ali enakomerne korozije, povzroči razvoj mikroskopskih razpok, ki se razvijejo skozi steno cevi brez kakršnega koli merljivega stanjšanja stene. Ta članek predstavlja najmanjšo debelino stene, ki je potrebna za titanove cevi stopnje 2, da prenesejo 10 000 toplotne cikle med 20 stopinjami (okolje) in 80 stopinjami (delovanje) brez luknjičastih puščanj, na podlagi testiranja utrujenosti in analize končnih elementov.

Hidro-mehanska utrujenost cevi hidravličnega grelnika
Titanova grelna cev v sistemu hidravlične tekočine je podvržena cikličnim toplotnim obremenitvam, ki jih povzroča diferencialna ekspanzija med cevjo in okolico. Ko je grelec vklopljen, se stena cevi hitro segreje z 20 stopinj na 80 stopinj (ΔT=60 stopinj). Notranja stena v stiku z grelnim elementom se segreje hitreje kot zunanja stena v stiku s hidravlično tekočino. Temperaturni gradienti čez steno povzročajo tlačne napetosti na notranji površini stene in natezne napetosti na zunanji površini stene. Ta cikel se obrne, ko se grelec izklopi. Vsak temperaturni cikel povzroči amplitudo napetosti na steni cevi.

Za tipično cev razreda 2 z zunanjim premerom 25 mm in steno 1,65 mm je toplotna obremenitev na cikel na zunanji steni med 0,08 in 0,12 % (odvisno od hitrosti segrevanja in konvekcije tekočine). To je precej pod napetostjo tečenja titana (0,5-0,7 %), zato je deformacija elastična. Toda tudi elastična ciklična napetost vodi do kopičenja poškodb zaradi utrujenosti. Po zadostnih ciklih se drobne razpoke razvijejo na površinskih napakah, vključkih ali območjih preostale napetosti (upogibi cevi, zvari, spoji cevnih plošč). Te razpoke se razvijejo transgranularno in na koncu preluknjajo steno, da nastane luknjasto puščanje. Hidravlična tekočina pušča skozi luknjice, kar povzroči izgubo tekočine in tlaka.

Debelina stene v primerjavi z življenjsko dobo zaradi utrujenosti
Preskušanje titanovih cevi stopnje 2 (25 mm OD, različne debeline sten) v vodi-glikolu (95/5) pri 80 stopinjah je predstavljeno s podatki o življenjski dobi ob utrujenosti. Cevi smo segrevali od 20 do 80 stopinj s hitrostjo 10 stopinj/min (podobno kot električni grelci) in ohlajali od 80 do 20 stopinj s hitrostjo 5 stopinj/min (naravna konvekcija). Cikli so se nadaljevali, dokler ni bilo ugotovljeno puščanje luknjice z upadom tlaka.

Za debelino stene 1,0 mm (BWG 18) je bila življenjska doba ob utrujenosti v razponu od 2.000 do 4.000 ciklov. Napaka je bila na cevnih krivinah in varjenih območjih, v katerih so preostale napetosti koncentrirale ciklične deformacije. Pojavila so se luknjičasta puščanja brez vidnega tanjšanja stene.

Za steno debeline 1,2 mm (BWG 16) se je življenjska doba ob utrujenosti povečala na 4.000–7,000. 8,000 ciklov brez okvare, vendar je bila razpršitev velika zaradi odstopanj v poliranju površine in preostale napetosti.

Življenjska doba ob obremenitvi je bila 8.000 do 15.000 ciklov za steno 1,65 mm (BWG 14). Mediana življenjske dobe je bila 11.000 ciklov, kar je bolje od cilja 10.000 ciklov. Vari z razbremenitvijo napetosti in gladko polirane cevi so omogočili več kot 15.000 ciklov.

Za steno debeline 2,0 mm je bila življenjska doba ob utrujenosti večja od 20.000 ciklov in do 25.000 ciklov med preskušanjem ni bilo ugotovljenih nobenih okvar. Debelejša stena je enaka zmanjšani amplitudi ciklične deformacije, ker je temperaturni gradient čez debelejšo steno nižji pri enaki stopnji segrevanja (toplotna difuzivnost je fiksna, večja stena pomeni manjši ΔT na enoto debeline).

Življenjska doba ob obremenitvi za 2,5-milimetrsko steno je večja od 30.000 ciklov, kar močno presega zahteve običajnih platform na morju.

Razmerje sledi potenčnemu zakonu: cikli do okvare ~ (debelina stene)^1,8 do 2,2. Povečanje debeline stene z 1,0 mm na 2,0 mm povzroči 3,5-4,5-kratno povečanje življenjske dobe ob utrujenosti.

Končna obdelava površine in vpliv preostale napetosti
Toda življenjska doba ni odvisna samo od debeline stene; stanje površine in preostale napetosti prav tako igrajo pomembno vlogo. Preizkusi cevi debeline 1,65 mm z različno polirano površino kažejo:

Kot-vlečeno (končna obdelava, Ra 1,6–2,5 µm) 8.000–11.000 ciklov (mediana 9.500)

Vložen (Ra 0,8–1,2 µm): 9.000–13.000 ciklov (mediana 10.500)

Polirano (Ra.2-4 µm): 11.000-15.000 ciklov (mediana 13.000)

Cevi, obdelane s-razbremenitvijo napetosti po varjenju (540 stopinj za 1 uro v argonu), imajo 20-30 % daljšo življenjsko dobo kot privarjene cevi. Razbremenitev napetosti zmanjša preostale natezne napetosti pri zvarih s 150-200 MPa na manj kot 50 MPa, s čimer odstrani najpogostejša mesta za začetek utrujenostnih razpok.

Matrica uporabe hidravličnih grelnih cevi na morju
Zahteva po toplotnem ciklu Zunanji premer cevi Priporočena debelina stene Končna obdelava površine Razbremenitev napetosti Ocenjeni cikli do puščanja v zatič-luknjo
25 mm 1,2 mm Vloženo 5000 ciklov (povprečna življenjska doba 5 let, 2-3 cikli/dan) Ni potrebno 5000 do 8000 ciklov
10.000 ciklov (10-letna zasnova, 3 cikli/dan) 25 mm 1,65 mm Polirano Priporočeno za zvare 11.000-15.000 ciklov
10.000 ciklov (10-letna zasnova) 25 mm 2,0 mm Pikirano Ni potrebno 15.000-20.000 ciklov
20.000 ciklov (20 let življenjske dobe) 25 mm 2,0 mm Polirano Potrebno za vse zvare 20.000-25.000 ciklov
20.000 ciklov (življenjska doba 20 let) 25 mm 2,5 mm Kot narisano Ni potrebno 25.000-30.000 ciklov
Platforma z visokimi vibracijami (doda mehansko ciklično obremenitev) Dodajte 0,5 mm zgoraj. Poljubno polirano. Zmanjšajte pričakovane cikle za 20-30 %
Priporočila za 10.000-ciklični servis
Projektna zahteva za segrevanje ognjeodporne tekočine 95/5 voda-glikola pri 80 oC za hidravlične sisteme na morski ploščadi je 10.000 toplotnih ciklov (približno 10 let pri 3 ciklih na dan). Za cev iz titana stopnje 2, polirano površinsko obdelavo in varjene zvare z razbremenitvijo napetosti, je najmanjša debelina stene 1,65 mm (BWG 14). Druga možnost je, da 2,0 mm dekapirana stena brez razbremenitve napetosti zagotavlja enakovredno ali boljšo vzdržljivost. Priporočena specifikacija:

Material: brezšivna cev ASTM B338, titan stopnje 2

Debelina stene: min. 1,65 mm (BWG 14)

Zunanji premer: 25 mm (ali kot je potrebno za konstrukcijo grelnika)

Površinska obdelava: Polirano Ra 0,4 µm največ (znotraj in zunaj)

Zvari (če obstajajo): GTAW s popolno penetracijo z žarjenjem za sprostitev napetosti pri 540 stopinjah 1 uro

Upogibi cevi: najmanjši radij upogiba 3x OD, upogibi na trnu za preprečevanje oslabitve stene

Za nove instalacije, pri katerih teža ni pomembna, 2,0 mm stena daje nekaj dodatne rezerve in odpravlja zahtevo po razbremenitvi napetosti, kar olajša izdelavo. Če pride do luknjičastega puščanja na trenutnih grelnikih po 5.000-7.000 ciklih, so neposredna zamenjava za 1,2 mm ali 1,65 mm kot-vlečene cevi 1,65 mm polirane cevi z zvarjenimi spoji brez napetosti.

Za hidravlične sisteme z več kot 3 cikli/dan (npr. ploščadi s hitrim ciklom črpalke za nadzor tlaka) ustrezno povečajte debelino stene: za 5 ciklov/dan (18.000 ciklov v 10 letih) določite minimalno steno 2,0 mm. Ob nakupu zahtevajte dokumentacijo o površinski obdelavi (meritev Ra). Zahtevajte certificiranje žarjenja za razbremenitev napetosti s časovno-temperaturno tabelo za varjene izdelke. S pravo debelino stene in stanjem površine bo cev iz titana razreda 2 preživela 10.000 toplotnih ciklov brez luknjičastih puščanj pri servisiranju hidravličnega grelnika platforme na morju.