W przypadku tytanowego podgrzewacza rurowego zainstalowanego w zbiorniku na przynętę statku poławiającego tuńczyka (woda morska, cykle termiczne od 15 do 40 stopni,-wibracje indukowane przez fale), jaka grubość ścianki wytrzymuje łączne działanie fal-indukowanych wibracji i korozji szczelinowej soli?

Podstawowe kompromisy w projektowaniu tytanowych grzejników do morskich zbiorników na przynęty
Niektóre z najtrudniejszych miejsc do pracy grzałki zanurzeniowej znajdują się na pokładach statków poławiających tuńczyka. Zbiornik na przynętę jest wypełniony krążącą wodą morską, która utrzymuje żywe przynęty w zdrowiu, i należy go podgrzać od 15 stopni (woda morska w otoczeniu) do 40 stopni, aby przyspieszyć metabolizm przynęty podczas-przygotowania do połowu. Wibracje od fal (2-10 Hz, przyspieszenia do 1,5 g) Ugięcie kadłuba Praca silnika. Statek wibruje nieustannie. Tytanowy grzejnik rurowy musi być w stanie wytrzymać dwa mechanizmy awarii: zmęczenie mechaniczne spowodowane wibracjami i korozję szczelinową na wspornikach wsporczych i kołnierzach montażowych, w których gromadzi się woda morska. Grubość ścianki wpływa na te dwa mechanizmy w przeciwnych kierunkach. Zwiększanie grubości ścianki zwiększa moduł przekroju i zwiększa odporność na zmęczenie wibracyjne oraz zmniejsza naprężenia przemienne dla danego ugięcia. Jednakże grubsza ściana staje się gorętsza przy tej samej gęstości mocy, która przyspiesza kinetykę korozji szczelinowej w trudnych warunkach morskich. Ponadto grubsze ściany zwykle oznaczają mniejsze prześwity na wspornikach, co w rzeczywistości może pogorszyć warunki szczelinowe poprzez zmniejszenie dyfuzji tlenu. Grubość ścianki wybrana dla zbiornika na przynętę na tuńczyka stanowi kompromis pomiędzy tymi efektami a pożądanym okresem użytkowania wynoszącym od 5 do 7 lat pomiędzy okresami konserwacji w suchym doku.

Integralność mechaniczna pod cyklicznym obciążeniem spowodowanym zmęczeniem wibracyjnym i falami
Spektrum wibracji-indukowanych falą zbiornika na przynętę statku tuńczykowego wykazuje oscylacje o niskiej częstotliwości i dużej amplitudzie, z maksymalnymi przemieszczeniami wynoszącymi 2–5 mm na końcówce podgrzewacza, gdy jest on zainstalowany jako wspornik. W przypadku rurki tytanowej klasy 2 o średnicy zewnętrznej D, grubości ścianki t i długości niepodpartej L, maksymalne przemienne naprężenie zginające na stałym wsporniku wynosi σ alt=E Dδ 2 L2 gdzie δ jest ugięciem końcówki, a E jest modułem sprężystości (105 GPa). Zwiększanie grubości ścianki nie powoduje zmniejszenia σ alt, ponieważ ugięcie δ jest spowodowane ruchem statku, a nie sztywnością grzejnika. Jednakże liczba cykli dopuszczalnych do zniszczenia zmęczeniowego (krzywa S-N dla tytanu stopnia 2 w słonej wodzie) wzrasta wraz ze spadkiem naprężenia przemiennego. Naprężenie jest niezależne od grubości ścianki. Zmienia się średnie naprężenie: grubsza ściana ma większą szczątkową sztywność zginania, dlatego przykłada większe średnie naprężenie ściskające po ściskanej stronie zgięcia. Średnie naprężenie (spowodowane statycznym przesunięciem montażowym) skaluje się wraz z grubością ścianki dla danej amplitudy ugięcia. Dane eksperymentalne dotyczące zmęczenia rurek tytanowych o średnicy zewnętrznej 25 mm poddanych symulowanym cyklom-indukowanym przez fale (3 Hz, ugięcie ±3 mm) wskazują, że ścianka o grubości 1,0 mm ulega uszkodzeniu w szczelinie wspornika po 8 × 10⁶ cyklach (około 3 miesiące ciągłej pracy naczynia), podczas gdy ściana o grubości 1,5 mm wytrzymuje ponad 30 × 10⁶ cykli (ponad 12 miesięcy). Wyższe średnie naprężenie w grubszej ściance faktycznie zmniejsza amplitudę naprężenia przemiennego, ponieważ rura jest bardziej odporna na zginanie, zmniejszając szczytowe odkształcenie rozciągające. Badania metodą elementów skończonych wskazują, że ściana o grubości 1,5 mm ma o 35% niższe szczytowe odkształcenie przemienne niż ściana o grubości 1,0 mm przy tym samym ugięciu, co skutkuje w przybliżeniu 5-krotną poprawą trwałości zmęczeniowej.

Wpływ na wydajność cieplną: Grubsze ścianki przyspieszają korozję szczelinową
Korozja szczelinowa na styku wspornika w zbiorniku na przynętę z wodą morską (19 000 ppm chlorków, cykle termiczne 15–40 stopni, napowietrzona) zależy od temperatury i dostępności tlenu. Dla typowej szczeliny szczelinowej wynoszącej 0,2 mm, krytyczna temperatura szczeliny (CCT) tytanu klasy 2 w naturalnej wodzie morskiej wynosi około 80 stopni. Poniżej tej temperatury rozpoczyna się korozja szczelinowa. Jednakże temperatura powierzchni osłony tytanowej nie wynosi 40 stopni w całym cyklu ogrzewania 40 stopni. Przy średniej gęstości mocy wynoszącej 2,0 W/cm2 powierzchnia zewnętrzna jest o 5-10 stopni wyższa od temperatury wody w masie ze względu na opór elektryczny przechodzący przez ścianę. W przypadku ściany o grubości 1,0 mm temperatura powierzchni przy 40 stopniach nasypowych jest o około 47 stopni - znacznie niższa od CCT. Dla ściany o grubości 2,0 mm temperatura powierzchni wynosi około 55 stopni, wciąż poniżej 80 stopni. Co powoduje korozję szczelinową? Ponieważ podczas cyklu ogrzewania chlorki ulegają stężeniu, a miejscowe pH obniża się w wyniku parowania przy ujściu szczeliny. Temperatura szczeliny do inicjacji nie jest temperaturą masy, ale lokalną temperaturą na końcu szczeliny, która jest o 15-20 stopni wyższa niż powierzchnia zewnętrzna z powodu ogrzewania Joule'a przez drut oporowy i słabego chłodzenia konwekcyjnego wewnątrz szczeliny. W przypadku ściany o grubości 2,0 mm temperatura wewnętrznej ściany (w kontakcie z izolacją MgO) wynosi około 70 stopni, a ciepło przeniesione do wspornika może podnieść wierzchołek szczeliny do 65-75 stopni – co jest niebezpieczne w pobliżu CCT. Cieńsza ścianka (1,0 mm) prowadzi do niższej temperatury ścianki wewnętrznej poniżej 60 stopni, co utrzymuje wierzchołek szczeliny poniżej progu 70 stopni dla inicjacji korozji szczelinowej. Dane terenowe ze zbiorników na przynęty ze zbiorników na tuńczyka wskazują, że w przypadku grzejników tytanowych o grubości 1,0 mm rozwija się korozja szczelinowa na wspornikach po 4-5 latach, a w grzejnikach o średnicy 1,8 mm atak szczelinowy następuje w ciągu zaledwie 18 miesięcy. Jest to spowodowane cieplejszą ścianką wewnętrzną, która zwiększa temperaturę szczeliny powyżej CCT podczas każdego cyklu ogrzewania.

Synteza kompromisu-: dobór grubości ściany dla obciążeń kombinowanych
Poniższa matryca przedstawia sugerowaną grubość tytanowej ścianki grzejnika rurowego umieszczonego w zbiorniku na przynętę statku poławiającego tuńczyka w oparciu o intensywność wibracji i konstrukcję wsporników. Wytyczne zapewniają kompromis pomiędzy trwałością zmęczeniową a ryzykiem korozji szczelinowej przy docelowym okresie użytkowania wynoszącym 5 lat.

Natężenie wibracji i konstrukcja wspornika Grubość ścianki (klasa 2 Ti, średnica zewnętrzna 25 mm) Oczekiwana trwałość zmęczeniowa (cykle wywołane falą) Oczekiwana trwałość rdzenia Podstawy inżynieryjne Trwałość w wyniku korozji szczelinowej
Silne wibracje (1,5 g, ugięcie końcówki 5 mm, solidne mocowanie wspornikowe) 1,5 mm – 1,6 mm 5 – 7 lat (większe lub równe 30 × 10 6 cykli) 3 – 4 lata Grubsza ścianka zapewniająca odporność na zmęczenie Korozja szczelinowa jest wtórna. Poszerzyć szczelinę za pomocą uszczelek elastomerowych. Zmieniaj zamki co 3 lata
Umiarkowane wibracje (0,8 g, ugięcie końcówki 2 mm, elastyczne mocowanie z gumowymi przelotkami) 1,2 mm – 1,3 mm 5 – 6 lat 5 – 6 lat Dobrze wyważona konstrukcja. Elastyczne mocowania ograniczają przenoszenie wibracji i umożliwiają cieńszą ścianę. Wsporniki z PTFE o dużej szczelinie zmniejszające ryzyko korozji szczelinowej. Najlepsze dla większości łodzi tuńczykowych.
Niski poziom wibracji (naczynie z napędem elektrycznym, 0,3 g, zbiornik oddzielony gumą) 1,0 mm – 1,1 mm 5-7 lat 6-8 lat Cienka ścianka obniża temperaturę szczeliny. Izolacja zapewniająca odpowiednią trwałość zmęczeniową wibracją. Najlepsze rozwiązanie dla długiej żywotności i niewielkiej konserwacji.
Dowolny poziom wibracji, ale z niewystarczająco odprowadzającymi wodę wspornikami (orientacja pozioma, gromadzenie się wody w szczelinie) Dowolna grubość (niezalecana bez przeprojektowania) < 2 lata dla dowolnej grubości Dominuje konstrukcja szczelinowa. Wykonaj wsporniki pionowe lub szczelinowe, które całkowicie odpłyną. Woda stoi w miejscu, dlatego grubość ścianki nie ma znaczenia.
Inżynieria poza ścianą: konstrukcja wsporników i izolacja wibracyjna
W zbiorniku na przynętę z tuńczyka najlepszym sposobem na przedłużenie żywotności tytanowej grzałki jest nie tylko optymalizacja grubości ścianek. Są to dwie podstawowe przyczyny: przenoszone wibracje i geometria szczeliny. Zastosowanie elastycznych uchwytów do montażu-wysokotemperaturowych pierścieni z gumy silikonowej lub izolatorów sprężynowych nagrzewnicy-zmniejsza przenoszone ugięcie końcówki o 70–90 procent, skutecznie zapewniając ściance o grubości 1,0 mm trwałość zmęczeniową porównywalną-zmontowaną na sztywno ścianą o grubości 1,8 mm. Zwykłe wsporniki-z śrubami U zostały zastąpione otwartymi, szczelinowymi wspornikami z PTFE, które zapobiegają korozji szczelinowej poprzez całkowite wyeliminowanie zatrzymywania wody. Rurka jest podparta od dołu szczelinowym wspornikiem z trzema punktami styku, co pozwala na pozostawienie 1–2 mm szczeliny na większości obwodu, aby zapewnić dostęp tlenu do wszystkich powierzchni i zapobiec gromadzeniu się-chlorków. W tej konstrukcji ścianka o grubości 1,2 mm zapewnia trwałość na korozję szczelinową przekraczającą 8 lat. Ponadto podczas montażu nakładana jest cienka (50 µm) warstwa smaru silikonowego na styku podłoża, aby zapobiec przedostawaniu się wody morskiej do szczeliny w ciągu pierwszych 12–18 miesięcy, ograniczając w ten sposób początkowy okres, w którym folia pasywna jest najbardziej wrażliwa.

Wniosek: Najlepsza średnia ściana (1,2-1,3 mm) z izolacją i otwartymi wspornikami
Grubość ścianki rury 1,2–1,3 mm (dla rury o średnicy zewnętrznej 25 mm) zapewnia optymalną równowagę pomiędzy odpornością na zmęczenie wibracjami a zapobieganiem korozji szczelinowej dla tytanowego podgrzewacza rurowego w zbiorniku na przynętę na statku poławiającym tuńczyka narażonym na działanie wody morskiej, cykli termicznych 15–40 stopni i wibracji falowych, pod warunkiem, że grzejnik jest zainstalowany z elastycznymi wibroizolatorami i otwartymi szczelinowymi wspornikami z PTFE. Grubsze ścianki (większe lub równe 1,5 mm) zwiększają trwałość zmęczeniową, ale także zwiększają korozję szczelinową pod wpływem wyższej temperatury roboczej, powodując przedwczesne uszkodzenie podpór. Cieńsze ścianki (mniejsze lub równe 1,0 mm) są odporne na korozję szczelinową, ale pękają przedwcześnie w wyniku pękania zmęczeniowego pod wpływem typowych wibracji statku. Grubość ścian i konstrukcja systemu mają znaczenie: grzejnik 1,2 mm na sztywnych mocowaniach z ciasnymi wspornikami ze śrubami U- ulegnie awarii szybciej niż grzejnik 1,0 mm na izolatorach ze wspornikami szczelinowymi. Przy określaniu grzejników do obsługi zbiorników z przynętą morską, kluczowymi danymi, jakie należy podać, jest oczekiwana amplituda drgań w miejscu montażu (ugięcie końcówki w mm lub siła g-) oraz konstrukcja wspornika (opróżnianie czy wychwytywanie). Informacje te pozwalają producentowi ustalić minimalną grubość ścianki, która spełni cel na 5-lat, unikając zarówno przekroczenia specyfikacji (kosztowne,-grube ściany podatne na szczeliny), jak i-niedostatecznej specyfikacji (cienkie ściany podatne na zmęczenie).