Какой коэффициент запаса прочности (2,0 против 3,0) является подходящим при расчете давления разрыва титанового нагревателя для гидравлической системы управления?

Когда инженер-гидротехник проектирует титановый нагреватель для гидравлической системы управления высоким-давлением, например, в приводах самолетов, подводном оборудовании или тяжелой технике, расчет разрывного давления должен включать коэффициент запаса прочности (SF), чтобы учитывать различия в материале, производственные дефекты и условия эксплуатации. Давление разрыва ( P разрыв ) ​​тонкостенной титановой трубки определяется выражением P разрыв=SF(2σ ult t/D), где σ ult — предел прочности на разрыв (класс 2: 345 МПа), t — толщина стенки, а D — наружный диаметр. Для не-критических систем, которые проверяются на регулярной основе, выбор SF=2.0 обеспечивает разрывное давление, в два раза превышающее максимальное рабочее давление. Для критически важных с точки зрения безопасности систем-или систем с вибрацией, скачками давления или коррозионными условиями необходим тройной буфер. Выбор SF=3.0 позволяет это. Подходящий SF зависит от последствий отказа и операционной среды.

Выбор коэффициентов безопасности для титановых компонентов, работающих под давлением
Коэффициент запаса прочности для разрывного давления включает шесть факторов, не включенных в простой расчет кольцевого напряжения: 1) изменение толщины стенки трубы (обычно +/- 5-10 % от номинальной), 2) овальность (за пределами--круглости снижает разрывное давление на 10-25 %), 3) поверхностные дефекты (царапины снижают местную прочность на 20-50 %), 4) температурное снижение номинальных характеристик. (прочность снижается на 10-20% при 100 градусах по сравнению с комнатной температурой), 5) усталость (циклическое давление сокращает срок службы) и 6) допуск на коррозию (утончение стенок с течением времени). При коэффициенте безопасности 2,0 (нормальном для некритических гидравлических систем) вы предполагаете, что эти переменные хорошо регулируются и что система регулярно проверяется. Коэффициент безопасности 3,0 (как принято для сосудов под давлением согласно разделу VIII ASME) предполагает наихудшее сочетание всех факторов и отсутствие доступа для проверки.

Количественное определение разрывного давления SF=2.0 и SF=3.0 для труб типичных размеров
Внешний диаметр трубки (мм)|Толщина стенки (мм)|Максимальное рабочее давление (бар) при SF=2.0|Максимальное рабочее давление (бар) при SF=3.0 |Рекомендуемое применение 12.7 1.0 108 72 Низкое давление, не-критическое 12.7 1.5 163 108 Среднее давление
16.0 1.5 130 86 Общая гидравлика 16.0 2.0 173 115 Более высокое давление 20.0 1.5 104 69 Среднее давление, больший расход
20.0 2.0 138 92 Общепромышленное 20.0 2.5 173 115 Гидравлическое оборудование высокого- давления 25.4 2.0 109 73 Подводное среднее давление
25.4 2.5 136 91 Глубоководно, Сан-Франциско=3.0 25.4 3.0 163 109 Подводно, Сан-Франциско=3.0 необходимо
Руководство по выбору коэффициента безопасности на основе сценария
Применение и последствия неисправности. Типичное рабочее давление (бар). Рекомендуемое обоснование SF.
Нагреватель гидравлической линии самолета (важно с точки зрения безопасности) 210-350 3.0-4.0 Отказ приводит к потере управления. Должен иметь высокий SF.
Подводная система управления (глубина 1500 м, внешнее давление 150 бар) 200 (внутреннее) 3,0 Внешнее давление может привести к обрушению. 3.0 минимум API 17E SF=
Промышленный гидравлический пресс (не-критичный) 150-250 2.0 Периодический осмотр. Неисправность приводит к простою, а не к угрозе безопасности.
Гидравлический нагреватель сельскохозяйственного оборудования 100-200 2.0 Умеренные последствия. Критерии SF=2.0.
Мобильная техника (экскаватор, погрузчик) 200-300 2.5 Вибрационные и ударные нагрузки требуют промежуточного СФ.
Нагреватель испытательного стенда (прерывистый, контролируемый) До 400 2.0 Немедленное контролируемое отключение при обнаружении утечки.
Гидравлическая система забортной воды (коррозионная) 100-150 3.0 Необходим допуск на коррозию. SF=3.0 возник из-за истончения стенок.
High-cycle hydraulic system (>1 миллион циклов в год) Любой 3.0+ анализ усталости SF=3.0 не подходит для тяжелых циклов. Требуется расчет усталости кривой S-N.
Инженерные факторы, повышающие требуемый коэффициент безопасности
Увеличьте коэффициент безопасности до 3,0 или выше при возникновении любой из следующих ситуаций. Сварная труба (рекомендуется для гидравлического обслуживания) снижает разрывное давление на 20-40% по сварному шву. Из-за снижения прочности титана на 10-20% выше рабочей температуры 80°С, SF следует регулировать с учетом температурного коэффициента снижения номинальных характеристик. Циклическое изменение давления (более 10 000 циклов в год) требует анализа усталости. SF=3.0 может быть недостаточно. В агрессивной среде (морская вода, кислоты) стенка со временем утончается, и SF должен учитывать ожидаемое ухудшение. Расчеты динамического разрыва должны учитывать дополнительные напряжения, вызванные вибрацией и механическими ударами. Для любой комбинации этих параметров рекомендуется провести анализ конструкции с полным анализом методом конечных элементов (FEA) и прогнозированием усталостной долговечности, а не полагаться только на коэффициент запаса прочности.

Вывод: SF=3.0 для безопасности-критический, SF=2.0 для гидравлического обслуживания не-критический
Коэффициент безопасности 2,0 идеально подходит для не-критических применений, где отказ нагревателя приведет лишь к простою, а система гидравлического управления регулярно контролируется, например, давление разрыва титанового нагревателя в системе гидравлического управления. Коэффициент безопасности 3,0 необходим для-критических с точки зрения безопасности (самолет, подводная лодка, высокое-давление) или коррозионных условий, вибрации или циклического изменения давления. Существует большая разница в рабочем давлении между SF=2.0 и SF=3.0.. Например, титановая трубка диаметром 20 x 2,0 мм может работать при давлении 138 бар с SF=2.0, но только при 92 бар с SF=3.0, разница составляет 33%. При выборе титанового нагревателя для любого гидравлического применения поставщику следует предоставить максимальное рабочее давление, рабочую температуру, циклический режим работы и последствия отказа, чтобы можно было выбрать правильный коэффициент безопасности и указать правильную толщину стенок для удовлетворения требований безопасности и производительности.