Γιατί ένας θερμαντήρας εμβάπτισης τιτανίου με γυαλισμένο δάκτυλο συγκόλλησης (συντελεστής συγκέντρωσης στρες<1.2) Outlast an As-Welded Joint (SCF >3) με συντελεστή 5 σε σύστημα καθοδικής προστασίας 90 μοιρών θαλασσινού νερού;

Οι θερμαντήρες τιτανίου σε ένα σύστημα καθοδικής προστασίας 90 μοιρών θαλασσινού νερού προσβλήθηκαν από διάβρωση και ευθραυστότητα υδρογόνου. Το δάκτυλο της συγκόλλησης είναι μια περιοχή συγκέντρωσης υψηλής πίεσης. Το SCF των ως-συγκολλημένων αρθρώσεων είναι 3-5 και των γυαλισμένων δακτύλων συγκόλλησης είναι κάτω από 1,2. Το μεγαλύτερο SCF οδηγεί σε αυξημένες τάσεις εφελκυσμού και, συνεπώς, σε αυξημένες ρωγμές που προκαλούνται από υδρογόνο και έναρξη ρωγμών κόπωσης. Η στίλβωση για τη μείωση του SCF αυξάνει τη διάρκεια ζωής κατά 5. Η βελτίωση φαίνεται στο περίβλημα από τιτάνιο και στο εσωτερικό σύρμα αντίστασης.

Ο ρόλος του παράγοντα συγκέντρωσης στρες στη ζωή της κόπωσης

Ένας συγκολλημένος σύνδεσμος είναι μια εγκοπή όπου το δάκτυλο της συγκόλλησης συγκεντρώνει τις εφαρμοζόμενες και τις υπολειπόμενες τάσεις. Η τάση των δακτύλων συγκόλλησης δίνεται από σ_max=SCF επί σ_ονομαστική. Με ένα SCF 4 για έναν ως-συγκολλημένο σύνδεσμο, μια ονομαστική τάση 50 MPa παράγει τοπική τάση 200 MPa, κοντά στην αντοχή διαρροής του τιτανίου Βαθμού 2. Με το SCF=1.2 για μια στιλβωμένη άρθρωση, η ίδια ονομαστική τάση παράγει τοπική τάση μόλις 60 MPa. Σε ένα σύστημα καθοδικής προστασίας δημιουργούνται άτομα υδρογόνου στην επιφάνεια του τιτανίου. Η τάση εφελκυσμού έλκει το υδρογόνο στη θέση της μέγιστης τριαξονικής τάσης στο δάκτυλο της συγκόλλησης όπου καθιζάνουν τα υδρίδια και αρχίζουν οι ρωγμές. Το χαμηλότερο SCF μειώνει την κινητήρια δύναμη για τη συσσώρευση υδρογόνου.

Η διάρκεια της κόπωσης ως συνάρτηση της κατάστασης των δακτύλων συγκόλλησης, ποσοτική

Οι διάρκειες ζωής κόπωσης των συνδέσμων συγκόλλησης τιτανίου Βαθμού 2 έχουν ληφθεί από ελεγχόμενες δοκιμές κυκλικής φόρτισης σε θαλασσινό νερό 90 μοιρών με καθοδική προστασία στα -0,85 V έναντι Ag/AgCl. Η διάρκεια ζωής σε σχέση με-συγκολλημένη για μια-συγκολλημένη ένωση με αιχμηρή εγκοπή (SCF 4-5) είναι 10.000-30.000 κύκλοι μέχρι την έναρξη της ρωγμής. Για τον συγκολλημένο σύνδεσμο με μέση γεωμετρία (SCF 3-4), οι κύκλοι είναι 20.000-50.000 και η σχετική διάρκεια ζωής είναι 1,5. Ομαλή γείωση αρμού (SCF 1,5-2) 50.000-150,000 3.0 Για έναν μηχανικά γυαλισμένο σύνδεσμο (SCF 1.2-1.5) οι κύκλοι είναι 80.000-200.000 και η σχετική διάρκεια ζωής είναι 4.0. Για την ηλεκτρογυαλισμένη άρθρωση με SCF μικρότερη από 1,2, οι κύκλοι είναι 150.000-300.000 και η σχετική διάρκεια ζωής είναι 5-7 φορές η κατάσταση της συγκόλλησης.

Επίδραση του δυναμικού καθοδικής προστασίας στην ευαισθησία SCF

Το πλεονέκτημα της στίλβωσης αυξάνεται με περισσότερο αρνητικό δυναμικό καθοδικής προστασίας (περισσότερο προστατευτικό). Καθώς-η διάρκεια της συγκόλλησης είναι 100.000-200.000 κύκλοι. Η διάρκεια ζωής του γυαλίσματος είναι 500.000-1.000.000 κύκλοι. Ο λόγος ζωής είναι 5 σε -0,80 V έναντι Ag/AgCl. Στα -0,85 V, το as-welded έχει διάρκεια ζωής 30.000-60.000 κύκλων, το polished έχει διάρκεια ζωής 150.000-300.000 κύκλων και η αναλογία είναι ακόμα 5. Η διάρκεια ζωής as-welded στα -0.90 V είναι 10.000-2 κύκλοι 50.000-100.000 κύκλοι και η αναλογία είναι 5. Η διάρκεια ζωής της συγκόλλησης στα -0,95 V είναι 5.000–10.000 κύκλοι, η διάρκεια ζωής του γυαλίσματος είναι 25.000–50.000 κύκλοι και η αναλογία είναι 5. Το 5× αποδεικνύει ότι η σταθερή τάση του μηχανισμού λείανσης προκαλεί τη σταθερή βελτίωση ζωή.

Οδηγός επίδεσης δακτύλων συγκόλλησης για υπηρεσίες καθοδικής προστασίας

Ο παρακάτω πίνακας παρέχει συστάσεις για το φινίρισμα των δακτύλων συγκόλλησης για θερμαντήρες τιτανίου σε συστήματα καθοδικής προστασίας θαλασσινού νερού 90 μοιρών με βάση τις αναμενόμενες απαιτήσεις κυκλικής ζωής.

Αναμενόμενοι κύκλοι κατά τη διάρκεια ζωής που απαιτούνται SCF Προτεινόμενο φινίρισμα δακτύλου συγκόλλησης Αναμενόμενη διάρκεια ζωής κόπωσης (κύκλοι) σε σχέση με ως-Συγκολλημένο<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

Η αντοχή στην κόπωση επηρεάζεται από την ποιότητα τιτανίου ανεξάρτητα από το SCF. Ο βαθμός 7 είναι εξίσου ευαίσθητος στο SCF αλλά έχει υψηλότερη εγγενή αντοχή σε κόπωση λόγω εμπλουτισμού με παλλάδιο. Για ένα δεδομένο φορτίο η ονομαστική τάση εξαρτάται από το πάχος του τοιχώματος. Ένας τοίχος 2,0 mm δίνει μικρότερη τάση από έναν τοίχο 1,0 mm για την ίδια ροπή κάμψης. Πρέπει να λαμβάνεται υπόψη το σχήμα του οπλισμού συγκόλλησης. Μια ομαλή μετάβαση (ακτίνα > 3 mm) μειώνει το SCF περισσότερο από το μόνο τρόχισμα. Μετά την{10}}ανόπτηση ανακούφισης από την πίεση συγκόλλησης στις 540 μοίρες για 30 λεπτά μειώνει τις υπολειπόμενες καταπονήσεις κατά 60-80% και βελτιώνει σημαντικά τη διάρκεια της κόπωσης. Το δυναμικό καθοδικής προστασίας θα πρέπει να ρυθμιστεί στα -0,80 έως -0,85 V αλλά όχι πιο αρνητικά για να ελαχιστοποιηθεί η έκλυση υδρογόνου.

Σύνταξη ενημερωμένης προδιαγραφής

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 >3 έως<1.2 and increases the fatigue life by a factor of 5 in cathodically protected seawater.