Какая толщина стенки титанового трубчатого нагревателя, установленного в резервуаре для наживки судна, занимающегося ловлей тунца (морская вода, температурные циклы от 15 до 40 градусов, волновая-вибрация), вызывает совместную -вибрацию и соляную щелевую коррозию?

Основные компромиссы в конструкции титанового нагревателя для морских резервуаров с приманками
Одними из самых сложных мест для работы погружного нагревателя являются суда, ловящие тунца. Резервуар для приманки наполнен циркулирующей морской водой, чтобы живая наживка оставалась здоровой, и его необходимо нагреть с 15 градусов (окружающая морская вода) до 40 градусов, чтобы ускорить метаболизм приманки во время пред-подготовки к рыбалке. Вибрация от волн (2-10 Гц, ускорение до 1,5g). Прогиб корпуса. Работа двигателя. Корабль постоянно вибрирует. Титановый трубчатый нагреватель должен выдерживать два механизма отказа: механическую усталость от вибрации и щелевую коррозию опорных кронштейнов и монтажных фланцев, где скапливается морская вода. Толщина стенки влияет на эти два механизма в противоположных направлениях. Увеличение толщины стенки увеличивает момент сопротивления, повышает сопротивление вибрационной усталости и уменьшает знакопеременное напряжение при заданном прогибе. Однако более толстая стенка становится более горячей при той же плотности мощности, что ускоряет кинетику щелевой коррозии в суровых морских условиях. Кроме того, более толстые стенки, как правило, означают меньшие зазоры у опорных кронштейнов, что фактически может ухудшить состояние щелей за счет уменьшения диффузии кислорода. Толщина стенок, выбранная для резервуара для наживки на судне для тунца, представляет собой компромисс между этими эффектами и желаемым сроком службы от 5 до 7 лет между периодами технического обслуживания в сухом доке.

Механическая целостность при циклическом нагружении от вибрационной усталости и волн
Спектр волновой-индуцированной вибрации резервуара для наживки судна для тунца демонстрирует низкочастотные колебания с высокой амплитудой с максимальным смещением 2–5 мм на кончике нагревателя, когда он установлен в качестве кантилевера. Для титановой трубы класса 2 с наружным диаметром D, толщиной стенки t и длиной без опоры L максимальное переменное напряжение изгиба на неподвижной опоре равно σ alt=E Dδ 2 L2, где δ — прогиб кончика, а E — модуль упругости (105 ГПа). Увеличение толщины стенки не уменьшает σ alt, поскольку отклонение δ обусловлено движением сосуда, а не жесткостью нагревателя. Однако количество циклов, допускаемых до усталостного разрушения (кривая S-N для титана класса 2 в соленой воде), увеличивается с уменьшением знакопеременного напряжения. Напряжение не зависит от толщины стенки. Что меняется, так это среднее напряжение: более толстая стенка имеет большую остаточную жесткость при изгибе, поэтому на стороне сжатия изгиба создается большее среднее сжимающее напряжение. Среднее напряжение (из-за статического смещения при монтаже) масштабируется в зависимости от толщины стенки для заданной амплитуды отклонения. Экспериментальные данные об усталости титановых трубок с внешним диаметром 25 мм, подвергнутых имитации волнового -циклического воздействия (3 Гц, отклонение ±3 мм), показывают, что стенка толщиной 1,0 мм разрушается в щели опорного кронштейна после 8 × 10⁶ циклов (приблизительно 3 месяца непрерывной эксплуатации сосуда), тогда как стенка толщиной 1,5 мм выдерживает более 30 × 10⁶ циклов (более 12 месяцев). Более высокое среднее напряжение в более толстой стенке фактически снижает амплитуду знакопеременного напряжения, поскольку труба более устойчива к изгибу, что снижает пиковую деформацию растяжения. Исследования методом конечных элементов показывают, что стенка толщиной 1,5 мм имеет на 35% меньшую пиковую переменную деформацию, чем стенка толщиной 1,0 мм при том же прогибе, что приводит к увеличению усталостной долговечности примерно в 5 раз.

Влияние на тепловые характеристики: более толстые стенки ускоряют щелевую коррозию
Щелевая коррозия на стыке опорного кронштейна в резервуаре с морской водой (19 000 частей на миллион хлорида, термические циклы 15–40 градусов, аэрация) зависит от температуры и наличия кислорода. Для типичного щелевого зазора 0,2 мм критическая температура щели (CCT) титана Grade 2 в природной морской воде составляет примерно 80 градусов. Ниже этой температуры начинается щелевая коррозия. Однако температура поверхности титановой оболочки не составляет 40 градусов на протяжении всего цикла нагрева 40 градусов. При средней плотности мощности 2,0 Вт/см2 внешняя поверхность на 5-10 градусов выше температуры объемной воды из-за электрического сопротивления через стену. Для стенки толщиной 1,0 мм температура поверхности при температуре 40 градусов в объеме примерно на 47 градусов - значительно ниже ЦТТ. Для стенки толщиной 2,0 мм температура поверхности составляет около 55 градусов, но все же ниже 80 градусов. Что вызывает щелевую коррозию? Потому что во время цикла нагрева хлориды концентрируются, а местный pH снижается за счет испарения в устье трещины. Температура щели для инициирования - это не объемная температура, а локальная температура на вершине щели, которая на 15-20 градусов выше, чем внешняя поверхность из-за джоулевого нагрева от резистивной проволоки и плохого конвективного охлаждения внутри щели. Для стенки толщиной 2,0 мм температура внутренней стенки (в контакте с изоляцией MgO) составляет около 70 градусов, и тепло, передаваемое в опорный кронштейн, может поднять кончик щели до 65-75 градусов, что опасно вблизи ЦКТ. Более тонкая стенка (1,0 мм) приводит к более низкой температуре внутренней стенки ниже 60 градусов, что удерживает кончик щели ниже порога в 70 градусов для инициирования щелевой коррозии. Полевые данные, полученные на судах с наживкой для тунца, показывают, что у титановых нагревателей толщиной 1,0 мм появляется щелевая коррозия на опорных кронштейнах через 4-5 лет, а у нагревателей толщиной 1,8 мм развивается щелевая коррозия всего за 18 месяцев. Это происходит из-за того, что более горячая внутренняя стенка увеличивает температуру щели выше CCT во время каждого цикла нагрева.

Синтез компромиссного решения-: выбор толщины стенки для комбинированных нагрузок
В приведенной ниже матрице показана рекомендуемая толщина титановой стенки трубчатого нагревателя, установленного в резервуаре для наживки на судне для ловли тунца, с учетом интенсивности вибрации и конструкции опорных кронштейнов. Рекомендации обеспечивают компромисс между усталостной долговечностью и риском щелевой коррозии при целевом сроке службы 5 лет.

Сила вибрации и конструкция кронштейна Толщина стенки (класс 2 Ti, внешний диаметр 25 мм) Ожидаемый усталостный срок службы (волновые циклы) Ожидаемое инженерное обоснование срока службы щелевой коррозии
Сильная вибрация (1,5 g, отклонение наконечника 5 мм, прочное консольное крепление) 1,5–1,6 мм 5–7 лет (больше или равно 30 × 10 6 циклов) 3–4 года Более толстая стенка для устойчивости к усталости Щелевая коррозия является вторичной. Увеличьте зазор с помощью эластомерных прокладок. Меняйте брекеты каждые 3 года.
Умеренная вибрация (0,8g, отклонение наконечника 2 мм, гибкое крепление с резиновыми втулками) 1,2–1,3 мм 5–6 лет 5–6 лет Хорошо сбалансированная конструкция. Гибкие крепления ограничивают передачу вибрации и позволяют сделать стену тоньше. Кронштейны из ПТФЭ с широким зазором для снижения риска щелевой коррозии. Лучше всего подходит для большинства лодок для тунца.
Низкая вибрация (емкость с электроприводом, 0,3 г, резервуар с резиновым разделением) 1,0–1,1 мм 5–7 лет 6–8 лет Тонкие стенки снижают температуру щели. Изоляция, обеспечивающая соответствующую виброусталостную долговечность. Лучше всего подходит для длительного срока службы при минимальном обслуживании.
Любой уровень вибрации, но с неадекватным дренажем опорных кронштейнов (горизонтальная ориентация, скопление воды в щелях) Любая толщина (не рекомендуется без перепроектирования) < 2 лет для любой толщины Преобладает щелевая конструкция. Сделайте вертикальные кронштейны или кронштейны с прорезями, которые будут полностью сливать воду. Вода застаивается, поэтому толщина стенок не имеет значения.
Инженерное дело за стеной: конструкция кронштейнов и виброизоляция
В резервуаре для наживки из лодки для тунца лучший способ продлить срок службы титанового нагревателя — это не просто оптимизировать толщину стенок. Это две основные причины: передаваемая вибрация и геометрия щели. Использование гибких креплений для установки нагревателя-высокотемпературных втулок из силиконовой резины или пружинных изоляторов-снижает передаваемое отклонение наконечника на 70–90 процентов, эффективно обеспечивая усталостную долговечность стенки толщиной 1,0 мм, как и жесткой-установленной стены толщиной 1,8 мм. Обычные кронштейны с U-болтами заменены открытыми опорами из ПТФЭ с прорезями для предотвращения щелевой коррозии за счет полного исключения захвата воды. Трубка поддерживается снизу кронштейном с прорезями и тремя точками контакта, что обеспечивает зазор 1–2 мм по большей части окружности для доступа кислорода ко всем поверхностям и предотвращения накопления хлоридов-. В этой конструкции стенка толщиной 1,2 мм обеспечивает срок службы щелевой коррозии более 8 лет. Кроме того, во время установки на поверхность опорной поверхности наносится тонкий (50 мкм) слой силиконовой смазки, чтобы предотвратить проникновение морской воды в трещину в течение первых 12–18 месяцев, таким образом перекрывая начальный период, в течение которого пассивная пленка наиболее уязвима.

Вывод: лучшая стена средней толщины (1,2–1,3 мм) с изоляцией и открытыми кронштейнами.
Толщина стенки трубки 1,2–1,3 мм (для трубки с внешним диаметром 25 мм) является оптимальным балансом между устойчивостью к вибрационной усталости и предотвращением щелевой коррозии для нагревателя титановой трубки в резервуаре для наживки тунцепромыслового судна, подвергающегося воздействию морской воды, термоциклированию 15–40 градусов и волновой вибрации, при условии установки нагревателя с гибкими виброизоляторами и опорными кронштейнами из ПТФЭ с открытыми прорезями. Более толстые стенки (более или равные 1,5 мм) увеличивают усталостную долговечность, но также увеличивают щелевую коррозию из-за более высокой рабочей температуры, вызывая преждевременный выход из строя опор. Более тонкие стенки (менее или равные 1,0 мм) устойчивы к щелевой коррозии, но преждевременно разрушаются из-за усталостного растрескивания при типичной вибрации сосуда. Толщина стенки и конструкция системы имеют значение: нагреватель толщиной 1,2 мм на жестких креплениях с тугими кронштейнами на U-болтах выйдет из строя быстрее, чем нагреватель толщиной 1,0 мм на изоляторах с кронштейнами с прорезями. При выборе нагревателей для морских резервуаров с приманкой ключевыми данными являются ожидаемая амплитуда вибрации в месте установки (отклонение наконечника в миллиметрах или сила g-) и конструкция кронштейна (дренаж или захват). Эта информация позволяет производителю установить минимальную толщину стенки, которая будет соответствовать целевому показателю в 5-лет, избегая как превышения-спецификации (дорогостоящие,-склонные к появлению щелей, толстые стены), так и недостаточности-спецификации (тонкие стенки, склонные к усталости).