Kateri varnostni faktor (2,0 proti 3,0) je primeren pri izračunu porušitvenega tlaka titanovega grelnika za hidravlični krmilni sistem?

Ko hidravlični inženir oblikuje titanov grelnik za visoko{0}}tlačni hidravlični krmilni sistem, kot so tisti v letalskih aktuatorjih, podvodni opremi ali težkih strojih, mora izračun porušitvenega tlaka vključevati varnostni faktor (SF), da se upoštevajo razlike v materialu, proizvodnih napakah in pogojih delovanja. Tlak porušitve ( P burst ) tanko{2}}stenske titanove cevi je podan s P burst=SF(2σ ult t/D), kjer je σ ult končna natezna trdnost (razred 2: 345 MPa), t je debelina stene in D zunanji premer. Za ne-kritične sisteme, ki se redno pregledujejo, vam izbira SF=2.0 zagotovi tlak porušitve, ki je dvakrat višji od največjega delovnega tlaka. Za varnost{11}}kritične sisteme ali sisteme z vibracijami, skoki tlaka ali korozivnimi pogoji je potreben trojni blažilnik. Izbira SF=3.0 to dovoljuje. Ustrezen SF je odvisen od posledic okvare in delovnega okolja.

Izbira varnostnih faktorjev za tlačne komponente iz titana
Varnostni faktor za porušitveni tlak vključuje šest dejavnikov, ki niso vključeni v preprost izračun obročaste napetosti: 1) variacija debeline stene cevi (običajno +/- 5-10% nazivne vrednosti), 2) ovalnost (zunaj--okroglosti zmanjša porušitveni tlak za 10-25 %), 3) površinske napake (praske zmanjšajo lokalno trdnost za 20-50 %), 4) znižanje temperature (trdnost se zmanjša za 10–20 % pri 100 stopinjah v primerjavi s sobno temperaturo), 5) utrujenost (ciklični tlak skrajša življenjsko dobo) in 6) dopustna korozija (tanjšanje stene skozi čas). Z varnostnim faktorjem 2,0 (običajno za nekritične hidravlične sisteme) domnevate, da so te spremenljivke dobro regulirane in da se sistem redno pregleduje. Varnostni faktor 3,0 (kot je običajno za tlačne posode po oddelku VIII ASME) predvideva najslabše možne kombinacije vseh dejavnikov in ni dostopa za pregled.

SF=2.0 v primerjavi s SF=3.0 Kvantitativno določanje tlaka porušitve za tipične velikosti cevi
OD cevi (mm)|Debelina stene (mm)|Največji delovni tlak (bar) pri SF=2.0|Najvišji delovni tlak (bar) pri SF=3.0 |Priporočena uporaba 12.7 1.0 108 72 Nizek tlak, ne-kritično 12.7 1.5 163 108 Zmeren tlak
16.0 1.5 130 86 Splošna hidravlika 16.0 2.0 173 115 Višji tlak 20.0 1.5 104 69 Srednji tlak, večji pretok
20.0 2.0 138 92 Splošno industrijsko 20.0 2.5 173 115 Visok{2}}hidravlični 25.4 2.0 109 73 Podmorski zmeren tlak
25.4 2.5 136 91 Globoko podmorje, SF=3.0 25.4 3.0 163 109 Podmorje, SF=3.0 potrebno
Vodnik za izbiro varnostnega faktorja na podlagi scenarija
Uporaba in posledice okvare Tipični delovni tlak (bari) Priporočena SF Utemeljitev
Grelnik hidravličnega voda letala (ključno za varnost) 210-350 3.0-4.0 Napaka povzroči izgubo nadzora. Mora imeti visok SF.
Podmorski nadzorni sistem (globina 1500 m, zunanji tlak 150 barov) 200 (notranji) 3,0 Zunanji tlak lahko povzroči zrušitev. 3.0 najmanj API 17E SF=
Industrijska hidravlična stiskalnica (ne-kritična) 150-250 2.0 Periodični pregled. Napaka vodi v izpade, ne pa ogroža varnost.
Hidravlični grelnik kmetijske opreme 100-200 2.0 Zmerne posledice. Merila SF=2.0.
Mobilni stroji (bager, nakladalnik) 200-300 2.5 Vibracijske in udarne obremenitve potrebujejo vmesno SF.
Grelnik preskusnega stojala (občasno, nadzorovan) Do 400 2.0 Nadzorovana takojšnja zaustavitev, če je zaznano puščanje.
Hidravlični sistem morske vode (jedek) 100-150 3.0 Potreben dodatek za korozijo. SF=3.0 je bila posledica stanjšanja sten.
High-cycle hydraulic system (>1 milijon ciklov/leto) Kakršna koli 3.0+ analiza utrujenosti SF=3.0 ni dobra za težke cikle. Potreben je izračun utrujenosti krivulje S-N.
Inženirski dejavniki, ki povečujejo zahtevani varnostni faktor
Povečajte varnostni faktor na 3,0 ali več, če obstaja katera od naslednjih situacij. Varjena cev (priporočljiva za hidravlične storitve) zmanjša tlak porušitve za 20-40% na zvarnem šivu. Zaradi zmanjšanja trdnosti titana za 10-20 % nad delovno temperaturo 80 C je treba SF prilagoditi na podlagi faktorja znižanja temperature. Kroženje tlaka (več kot 10.000 ciklov/leto) zahteva analizo utrujenosti. SF=3.0 morda ne bo dovolj. V korozivnem okolju (morska voda, kisline) se stena sčasoma stanjša in SF mora upoštevati pričakovano poslabšanje. Dinamični izračuni porušitve morajo upoštevati dodatne napetosti zaradi vibracij in mehanskih udarcev. Za katero koli kombinacijo teh parametrov je priporočljiv pregled načrta s popolno analizo končnih elementov (FEA) in napovedjo življenjske dobe zaradi utrujenosti, namesto da bi se zanašali samo na varnostni faktor.

Zaključek: SF=3.0 za varnost-kritično, SF=2.0 za hidravlične storitve, ne-kritično
Varnostni faktor 2,0 je idealen za ne-kritične aplikacije, kjer bi okvara grelnika povzročila le čas izpada in se hidravlični krmilni sistem redno spremlja, npr. porušitveni tlak titanovega grelnika v hidravličnem krmilnem sistemu. Varnostni faktor 3,0 je potreben za varnost-kritične (letala, podmornice, visok-tlak) ali korozivne pogoje, vibracije ali nihanje tlaka. Obstaja velika razlika v delovnem tlaku med SF=2.0 in SF=3.0.. Na primer, titanovo cev s premerom 20 mm x 2,0 mm lahko deluje pri 138 barih s SF=2.0, vendar le pri 92 barih z SF=3.0, razlika je 33 %. Pri določanju titanovega grelnika za katero koli hidravlično uporabo je treba dobavitelju posredovati najvišji delovni tlak, delovno temperaturo, ciklično delovanje in posledice okvare, da se omogoči pravilna izbira varnostnega faktorja in pravilna določitev debeline stene za izpolnjevanje zahtev glede varnosti in učinkovitosti.