Почему титановый погружной нагреватель с полированной поверхностью сварного шва (коэффициент концентрации напряжений)<1.2) Outlast an As-Welded Joint (SCF >3) в 5 раз в системе катодной защиты морской воды под углом 90 градусов?

Титановые нагреватели в системе катодной защиты морской воды при температуре 90 градусов подверглись воздействию коррозии и водородного охрупчивания. Носок сварного шва представляет собой зону высокой концентрации напряжений. SCF сварных соединений в -сварном состоянии составляет 3-5, а в полированных концах сварных швов - ниже 1,2. Более высокий SCF приводит к увеличению растягивающих напряжений и, следовательно, к усилению водородного растрескивания и зарождению усталостных трещин. Полировка для уменьшения SCF увеличивает срок службы в 5 раз. Улучшения заметны в титановой оболочке и резистивной проволоке внутри.

Роль фактора концентрации напряжений в усталостной долговечности.

Сварное соединение представляет собой надрез, в котором на подошве сварного шва концентрируются приложенные и остаточные напряжения. Напряжение на стыке сварного шва определяется как σ_max=SCF, умноженное на σ_номинальное. При SCF 4 для сварного соединения в исходном состоянии- номинальное напряжение 50 МПа создает локальное напряжение 200 МПа, близкое к пределу текучести титана класса 2. При использовании SCF=1.2 для полированного соединения то же номинальное напряжение создает локальное напряжение всего 60 МПа. В системе катодной защиты на поверхности титана создаются атомы водорода. Растягивающее напряжение притягивает водород к положению максимального трехосного напряжения на стыке сварного шва, где выпадают гидриды и зарождаются трещины. Более низкий SCF снижает движущую силу накопления водорода.

Усталостная долговечность в зависимости от состояния поверхности сварного шва, количественная

Усталостный срок службы сварных соединений титана класса 2 был получен в результате испытаний на контролируемую циклическую нагрузку в морской воде при температуре 90 градусов с катодной защитой при -0,85 В по сравнению с Ag/AgCl. Срок службы относительно-сварного сварного соединения в состоянии-с острой надрезом (SCF 4-5) составляет 10 000–30 000 циклов до начала растрескивания. Для сварного соединения средней геометрии (SCF 3-4) циклы составляют 20 000-50 000, относительный срок службы - 1,5. Гладкая шлифовка шва (SCF 1,5-2) 50 000-150,000 3.0 Для шва, подвергнутого механической полировке (SCF 1,2-1,5), циклы составляют 80 000-200 000, а относительный срок службы - 4,0. Для электрополированного соединения с удельным коэффициентом удельного веса менее 1,2 циклы составляют 150 000–300 000, а относительный срок службы в 5–7 раз превышает срок службы после сварки.

Влияние потенциала катодной защиты на чувствительность СКФ

Преимущество полировки возрастает при более отрицательном потенциале катодной защиты (более защитном). Срок службы-сварки составляет 100 000-200 000 циклов. Полированный срок службы составляет 500 000-1 000 000 циклов. Коэффициент ресурса составляет 5 при -0,80 В по сравнению с Ag/AgCl. При -0,85 В срок службы после сварки составляет 30 000–60 000 циклов, срок службы полированного — 150 000–300 000 циклов, а коэффициент по-прежнему равен 5. Срок службы после сварки при -0,90 В составляет 10 000–20 000 циклов, срок службы полировки составляет 50 000–100 000 циклов и коэффициент 5. Срок службы после сварки при -0,95 В составляет 5 000–10 000 циклов, срок службы полировки составляет 25 000–50 000 циклов и коэффициент 5. Постоянное улучшение в 5 раз показывает, что полировка устраняет основную причину механизма концентрации напряжений независимо от абсолютного срока службы.

Руководство по зачистке сварных швов для служб катодной защиты

В приведенной ниже таблице приведены рекомендации по отделке носка сварного шва для титановых нагревателей в системах катодной защиты морской воды при температуре 90 градусов, исходя из ожидаемых требований к циклическому сроку службы.

Ожидаемое количество циклов в течение требуемого срока службы. Рекомендуемая SCF обработка торцевой части сварного шва. Ожидаемый усталостный срок службы (в циклах) относительно -сварного состояния.<10,000 <4 As-Welded (any) 10,000-30,000 1x 10,000-50,000 <3 As-welded (smooth) 20,000-50,000 1.5x 50,000-150,000 <2 Ground smooth 50,000-150,000 3x 150,000-300,000 <1.5 Mechanically polished 80,000-200,000 4x >300,000 <1.2 Electropolished 150,000-300,000 5-7x Engineering Beyond Weld Toe Finishing

На сопротивление усталости влияет марка титана независимо от SCF. Марка 7 так же чувствительна к SCF, но имеет более высокую собственную усталостную прочность из-за обогащения палладием. Для данной нагрузки номинальное напряжение зависит от толщины стенки. Стенка толщиной 2,0 мм дает меньшее напряжение, чем стенка толщиной 1,0 мм при том же изгибающем моменте. Необходимо учитывать форму усиления сварного шва. Плавный переход (радиус > 3 мм) снижает SCF не только при шлифовке. Отжиг для снятия напряжений после-сварки при температуре 540 градусов в течение 30 минут снижает остаточные деформации на 60–80 % и значительно увеличивает усталостную долговечность. Потенциал катодной защиты следует устанавливать на уровне от -0,80 до -0,85 В, но не более отрицательным, чтобы свести к минимуму выделение водорода.

Написание обоснованной спецификации

Specify electropolish all weld toes to a stress concentration factor less than 1.2 for titanium immersion heater in 90°C seawater cathodic protection service. Require profilometer readings to verify that the weld toe radius is more than 3 mm. For existing heaters with as-welded joints, include a stress-relief anneal and grind the weld toes smooth. During operation, examine the weld area annually using dye penetrant and regrind and repolish if cracks are found. Polishing the titanium heater welds reduces the stress concentration factor from >от 3 до<1.2 and increases the fatigue life by a factor of 5 in cathodically protected seawater.