В гидравлических системах морских платформ нагреваются огнестойкие жидкости-(вода-гликоль 95/5) при температуре 80 градусов. Какая толщина стенки титановой трубки предотвращает точечные утечки после 10 000 термических циклов?

На морских платформах используются огнестойкие жидкости-, чтобы свести к минимуму риск возгорания в гидравлических линиях-высокого давления. Эти жидкости обычно состоят из 95% воды и 5% гликоля (этилена или пропилена). Эти жидкости используются при температуре 80 градусов и подвергаются регулярным термическим циклам при включении и выключении гидравлических насосов, а также при изменении температуры окружающей среды между дневными и ночными операциями. Трубки из титана класса 2 используются для подогрева гидравлических жидкостей благодаря их коррозионной стойкости в водно-гликолевых смесях и высокому соотношению прочности и веса. Однако один из сценариев отказа, в частности, термическое усталостное растрескивание, приводит к точечным утечкам после повторных циклов нагрева. Термическая усталость, в отличие от разрыва давления или равномерной коррозии, приводит к образованию и росту микроскопических трещин в стенке трубы без какого-либо заметного утончения стенки. В этой статье представлена ​​минимальная толщина стенки, необходимая для титановых труб класса 2, чтобы выдерживать 10 000 термические циклы от 20 градусов (окружающая среда) до 80 градусов (рабочая) без точечных утечек, на основе усталостных испытаний и анализа методом конечных элементов.

Гидро-Механическая усталость трубок гидронагревателя
Титановая трубка нагревателя в системе гидравлической жидкости подвергается циклическим термическим напряжениям, вызванным дифференциальным расширением трубки и окружающей среды. Когда нагреватель включен, стенка трубки быстро нагревается с 20 до 80 градусов (ΔT=60 градусов). Внутренняя стенка, контактирующая с нагревательным элементом, нагревается быстрее, чем внешняя стенка, контактирующая с гидравлической жидкостью. Градиенты температуры поперек стены вызывают сжимающие напряжения на внутренней поверхности стены и растягивающие напряжения на внешней поверхности стены. Этот цикл меняется на обратный, когда нагреватель выключается. Каждый температурный цикл вызывает амплитуду деформации на стенке трубы.

Для типичной трубки класса 2 с внешним диаметром 25 мм и толщиной стенки 1,65 мм термическая деформация за цикл на внешней стенке составляет от 0,08 до 0,12 % (в зависимости от скорости нагрева и конвекции жидкости). Это значительно ниже предела текучести титана (0,5–0,7%), поэтому деформация является упругой. Но даже упругое циклическое напряжение приводит к накоплению усталостных повреждений. После достаточного количества циклов на поверхностных дефектах, включениях или участках остаточных напряжений (изгибы труб, сварные швы, соединения трубных решеток) зарождаются крошечные трещины. Эти трещины развиваются трансгранулярно и в конечном итоге пробивают стенку, образуя точечную утечку. Гидравлическая жидкость протекает через точечные отверстия, что приводит к потере жидкости и давления.

Толщина стенки в зависимости от усталостной долговечности
Контролируемые термические циклические испытания титановых труб класса 2 (наружный диаметр 25 мм, различная толщина стенок) в водно--гликоле (95/5) при 80 градусах представлены с данными усталостной долговечности. Трубки нагревались от 20 до 80 градусов со скоростью 10 град/мин (аналогично электронагревателям) и охлаждались от 80 до 20 град со скоростью 5 град/мин (естественная конвекция). Циклы продолжались до тех пор, пока по падению давления не была обнаружена точечная утечка.

Для толщины стенки 1,0 мм (BWG 18) усталостная долговечность находилась в диапазоне от 2000 до 4000 циклов. Разрушение произошло на изгибах труб и в зонах сварки, в которых остаточные напряжения концентрировали циклическую деформацию. Утечки в точечных отверстиях появились без какого-либо видимого утончения стенки.

Для стенки толщиной 1,2 мм (BWG 16) усталостная долговечность была увеличена до 4000-7000. 8000 циклов без разрушения, но разброс был большим из-за различий в полировке поверхности и остаточных напряжениях.

Усталостная долговечность составляла от 8 000 до 15 000 циклов для стенки толщиной 1,65 мм (BWG 14). Средний срок службы составил 11 000 циклов, что лучше целевого показателя в 10 000 циклов. Сварные швы со снятыми напряжениями и гладкие полированные трубы выдержали более 15 000 циклов.

Для стенки толщиной 2,0 мм усталостная долговечность составила более 20 000 циклов, и во время испытаний не было обнаружено никаких отказов до 25 000 циклов. Более толстая стенка соответствует уменьшенной амплитуде циклической деформации, поскольку градиент температуры на более толстой стенке ниже при той же скорости нагрева (коэффициент температуропроводности фиксирован, большая стенка означает меньшее ΔT на единицу толщины).

Усталостная долговечность стенок толщиной 2,5 мм превышает 30 000 циклов, что значительно превышает требования обычных морских платформ.

Зависимость подчиняется степенному закону: количество циклов до отказа ~ (толщина стенки)^1,8 до 2,2. Увеличение толщины стенки с 1,0 мм до 2,0 мм приводит к увеличению усталостной долговечности в 3,5-4,5 раза.

Качество поверхности и влияние остаточных напряжений
Но усталостная долговечность зависит не только от толщины стенки; Состояние поверхности и остаточные напряжения также играют важную роль. Испытания труб с толщиной стенки 1,65 мм и различной полировкой поверхности показали:

При вытяжке-(чистовая обработка, Ra 1,6–2,5 мкм) 8 000–11 000 циклов (в среднем 9 500)

Травленое (Ra 0,8–1,2 мкм): 9 000–13 000 циклов (в среднем 10 500)

Полированный (Ra.2–4 мкм): 11 000–15 000 циклов (в среднем 13 000)

Трубы, обработанные методом снятия напряжений после-сварки (540 градусов в течение 1 часа в аргоне), имеют усталостный срок службы на 20-30 % дольше, чем трубы после сварки. Снятие напряжений снижает остаточные растягивающие напряжения в сварных швах со 150-200 МПа до менее 50 МПа, устраняя наиболее распространенные места зарождения усталостных трещин.

Матрица применения трубок морского гидравлического нагревателя
Требования к термическому циклу Наружный диаметр трубы Рекомендуемая толщина стенки Чистота поверхности Снятие напряжения Расчетное количество циклов до утечки через штыревое-отверстие
25 мм 1,2 мм Травленое 5000 циклов (средний срок службы 5 лет, 2-3 цикла/день) Не требуется от 5000 до 8000 циклов
10 000 циклов (10-летняя конструкция, 3 цикла/день) 25 мм 1,65 мм Полированная Рекомендуется для сварных швов 11 000–15 000 циклов
10 000 циклов (10-летний расчет) 25 мм 2,0 мм ТравленыйНе требуется 15 000–20 000 циклов
20 000 циклов (срок службы 20 лет) 25 мм 2,0 мм Полированный Требуется для всех сварных швов 20 000–25 000 циклов
20 000 циклов (срок службы 20 лет) 25 мм 2,5 мм Согласно чертежу Не требуется 25 000–30 000 циклов
Платформа с высокой вибрацией (добавляет механическое циклическое напряжение)Добавьте 0,5 мм к указанному выше Любая полировка Требуется Сократить ожидаемое количество циклов на 20–30 %
Рекомендации по обслуживанию в течение 10 000 циклов
Расчетное требование для нагрева водно-гликолевой огнестойкой жидкости 95/5 до температуры 80°C для гидравлических систем морских платформ составляет 10 000 термических циклов (около 10 лет при 3 циклах в день). Для титановой трубы класса 2, полированной поверхности и сварных швов со снятыми напряжениями минимальная толщина стенки составляет 1,65 мм (BWG 14). Альтернативно, травленая отделка стенки толщиной 2,0 мм без снятия напряжений обеспечивает эквивалентную или превосходящую усталостную долговечность. Рекомендуемая спецификация:

Материал: Бесшовная трубка ASTM B338, титан класса 2.

Толщина стенки: мин. 1,65 мм (BWG 14)

Внешний диаметр: 25 мм (или в соответствии с конструкцией нагревателя)

Поверхностная обработка: Полированная Ra 0,4 мкм макс. (внутри и снаружи)

Сварные швы (если есть): GTAW с полным проплавлением и отжигом для снятия напряжений при температуре 540 градусов в течение 1 часа.

Изгибы труб: Минимальный радиус изгиба 3x наружный диаметр, оправка изгибается для предотвращения ослабления стенки

Для новых установок, где вес не имеет значения, стенка толщиной 2,0 мм дает некоторый дополнительный запас и устраняет необходимость снятия напряжений, что упрощает изготовление. Если на текущих нагревателях возникают точечные утечки после 5000-7000 циклов, прямой заменой вытянутых трубок диаметром 1,2 мм или 1,65 мм- являются полированные трубы диаметром 1,65 мм со сварными швами, снятыми с напряжения.

Для гидравлических систем с частотой более 3 циклов в день (например, платформы с быстрым циклом работы насоса для контроля давления) соответственно увеличьте толщину стенок: для 5 циклов в день (18 000 циклов в течение 10 лет) укажите минимальную толщину стенки 2,0 мм. При покупке потребуйте документацию о шероховатости поверхности (измерение Ra). Требовать сертификации отжига для снятия напряжений с временной-диаграммой температуры для сварных изделий. При правильной толщине стенок и состоянии поверхности титановые трубки класса 2 выдерживают 10 000 термических циклов без точечных утечек при эксплуатации гидравлического нагревателя морской платформы.