В системе катодной защиты морской воды с температурой 90 градусов титановые нагреватели подвергаются как коррозионному воздействию, так и водородному охрупчиванию. Носок сварного шва представляет собой область высокой концентрации напряжений. Поскольку -сварные соединения имеют коэффициент концентрации напряжений (SCF) 3–5, в то время как полированные края сварных швов снижают SCF до уровня ниже 1,2. Более высокий SCF усиливает растягивающие напряжения, способствуя водородному растрескиванию и зарождению усталостных трещин. Уменьшение SCF путем полировки увеличивает срок службы в 5 раз. Улучшение наблюдается как в титановой оболочке, так и в резистивной проволоке внутри.

Механизм влияния фактора концентрации напряжений на усталостную долговечность

В сварном соединении носок шва действует как надрез, в котором концентрируются приложенные и остаточные напряжения. Эффективное напряжение на стыке сварного шва составляет σ_max=SCF × σ_nominal. Для сварного соединения в исходном состоянии-с SCF=4 номинальное напряжение 50 МПа создает локальное напряжение 200 МПа, приближающееся к пределу текучести титана класса 2. Для полированного соединения с СКФ=1.2 то же номинальное напряжение создает локальное напряжение всего 60 МПа. В системе катодной защиты на поверхности титана генерируются атомы водорода. Растягивающее напряжение притягивает водород в область максимального трехосного напряжения на стыке сварного шва, где выпадают гидриды и возникают трещины. Более низкий SCF снижает движущую силу накопления водорода.

Количественный усталостный ресурс как функция состояния сварного шва

Испытания под контролируемой циклической нагрузкой в ​​морской воде при температуре 90 градусов с катодной защитой при -0,85 В по сравнению с Ag/AgCl установили следующие усталостные долговечности для сварных соединений титана класса 2. Для сварного соединения в состоянии -с острым надрезом (SCF 4–5) число циклов зарождения трещин составляет 10 000–30 000, а срок службы относительно сварного-сварного соединения составляет 1,0. Для сварного соединения в исходном состоянии-средней геометрии (SCF 3–4) циклы составляют 20 000–50 000, а относительный срок службы — 1,5. Для шлифованного гладкого соединения (SCF 1,5–2) циклы составляют 50 000–150 000, а относительный срок службы — 3,0. Для механически полированного соединения (SCF 1,2–1,5) циклы составляют 80 000–200 000, относительный ресурс — 4,0. Для электрополированного соединения с удельным коэффициентом удельного веса ниже 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 по мере того, как потенциал катодной защиты становится более отрицательным (более защитным). При -0,80 В по сравнению с Ag/AgCl срок службы после сварки- составляет 100 000–200 000 циклов, срок службы после полировки составляет 500 000–1 000 000 циклов, а коэффициент ресурса равен 5. При -0,85 В срок службы после сварки составляет 30 000–60 000 циклов, полированный ресурс 150 000–300 000 циклов, соотношение остается 5. При -0,90 В срок службы после сварки составляет 10 000–20 000 циклов, полированный ресурс 50 000–100 000 циклов, соотношение 5. При -0,95 В Срок службы после сварки составляет 5 000–10 000 циклов, срок полировки — 25 000–50 000 циклов, а коэффициент равен 5. Постоянное 5-кратное улучшение указывает на то, что полировка устраняет фундаментальный механизм концентрации напряжений, независимый от абсолютного срока службы.

Руководство по окончательной отделке сварных швов для службы катодной защиты

В следующей таблице представлены рекомендации по отделке пяток сварных швов титановых нагревателей в системах катодной защиты морской воды при температуре 90 градусов, исходя из ожидаемых требований к циклическому сроку службы.

Инжиниринг, выходящий за рамки отделки сварных швов

Марка титана влияет на сопротивление усталости независимо от SCF. Марка 7 имеет аналогичную чувствительность к SCF, но более высокую усталостную прочность из-за обогащения палладием. Толщина стенки влияет на номинальное напряжение при данной нагрузке; Стенка толщиной 2,0 мм испытывает меньшее напряжение, чем стенка толщиной 1,0 мм при том же изгибающем моменте. Форма усиления сварного шва имеет значение; плавный переход с радиусом более 3 мм снижает SCF больше, чем просто шлифовка. Отжиг для снятия напряжений после-сварки при температуре 540 градусов в течение 30 минут снижает остаточные напряжения на 60–80 %, дополнительно увеличивая усталостную долговечность. Потенциал катодной защиты следует поддерживать на уровне от -0,80 до -0,85 В, не более отрицательным, чтобы свести к минимуму выделение водорода.

Создание обоснованной спецификации

For a titanium immersion heater in 90°C seawater cathodic protection service, specify that all weld toes be electropolished to achieve a stress concentration factor below 1.2. Require profilometer measurements to verify that the weld toe radius exceeds 3 mm. For existing heaters with as-welded joints, add a stress relief anneal and grind the weld toes smooth. During operation, inspect the weld area annually using dye penetrant; if cracks are detected, regrind and repolish. By reducing the stress concentration factor from >от 3 до<1.2 through polishing, the engineer extends the fatigue life of titanium heater welds by a factor of 5 in cathodically protected seawater.