W głębokiej-studni zanurzeniowy podgrzewacz tytanowy pompujący wodę chlorkową o stężeniu 15 000 ppm w temperaturze 70 stopni. Jak częstotliwość włączania/wyłączania pompy (6 razy dziennie w porównaniu z. 2 razy dziennie) wpływa na trwałość zmęczeniową spoiny kołnierza?

Głęboko zanurzone grzejniki tytanowe są poddawane cyklicznym naprężeniom mechanicznym w wyniku uruchamiania i zatrzymywania pompy. Pompa uruchamia się nagle i woda chlorkowa o stężeniu 15 000 ppm o temperaturze 70 stopni nagle wypływa, powodując wzrost ciśnienia uderzenia wodnego. Po zatrzymaniu pompy przepływ zatrzymuje się, a ciśnienie oscyluje i może się odwrócić. Te cykle ciśnienia powodują cykliczne odkształcenia w spoinie kołnierza, połączeniu pomiędzy grzejnikiem a głowicą pompy lub rurą tłoczną. Krzywa S-N wiąże amplitudę naprężenia z liczbą cykli do zniszczenia, a trwałość zmęczeniowa spoiny jest określona przez tę krzywą S-N. Zwiększona częstotliwość włączania/wyłączania pompy (6 razy dziennie w porównaniu z. 2 razy dziennie) odpowiednio zwiększa liczbę cykli rocznie i zmniejsza trwałość zmęczeniową. Tworzenie się pęknięć zmęczeniowych przyspiesza się w temperaturze 70 stopni w korozyjnym środowisku chlorku, a żywotność jest jeszcze bardziej zmniejszona w porównaniu do warunków w słodkiej wodzie.

Zmęczenie korozyjne spoiny kołnierzowej w mechanizmie wody chlorkowej

Spoina kołnierzowa jest obszarem szczątkowych naprężeń rozciągających, niejednorodności mikrostruktury i koncentracji naprężeń. Każdy cykl uruchamiania/zatrzymywania pompy indukuje amplitudę naprężenia (Δσ) na spoinie, zwykle w zakresie 20–50 MPa, z powodu uderzeń hydraulicznych. Cykliczne naprężanie miejscowo niszczy warstwę pasywną na spoinie w wodzie chlorkowej o stężeniu 15 000 ppm w temperaturze 70 stopni. Odsłonięty metal jest atakowany przez jony chlorkowe, a pęknięcia inicjują się na palcach spoiny. Każdy cykl wydłuża pęknięcie o 0,1-1 µm. Szybkość wzrostu pęknięć jest określona przez prawo paryskie jako: da/dN=C(DeltaK) m Gdzie DeltaK jest zakresem współczynnika intensywności naprężeń. Współczynnik C wzrasta 2–5 razy w porównaniu z warunkami powietrza lub słodkiej wody z powodu korozji.

Ilościowa trwałość zmęczeniowa jako funkcja szybkości uruchamiania/zatrzymywania

Trwałość zmęczeniową określono dla typowej spoiny kołnierza z tytanu klasy 2 (średnica 20 mm, grubość ścianki 1,5 mm) przy współczynniku koncentracji naprężeń K t=3 i skoku ciśnienia 5 barów (Δσ ≈ 45 MPa na czubku spoiny). Trwałość zmęczeniowa przy częstotliwości uruchamiania/zatrzymywania 2 razy dziennie (730 cykli rocznie) wynosi od 500 000 do 1 000 000 cykli, czyli od 685 do 1370 lat, bez ograniczeń. Przy 6 razy dziennie (2190 cykli rocznie) trwałość zmęczeniowa wynosi od 400 000 do 800 000 cykli, czyli od 180 do 365 lat, co jest nadal bezpieczne w zastosowaniach praktycznych. Trwałość zmęczeniowa zmniejsza się do 200 000 do 500 000 cykli przy 30 cyklach dziennie (10 950 cykli rocznie) lub od 18 do 45 lat, co jest akceptowalne w większości zastosowań. Przy szybkości 120 dziennie (43 800 rocznie lub mniej więcej co 12 minut) trwałość zmęczeniowa wynosi 80 000 do 200 000 cykli lub 2 do 5 lat i istnieje możliwość uszkodzenia zmęczeniowego. Przy 500 cyklach dziennie (182 500 cykli rocznie, co około 3 minuty) trwałość zmęczeniowa spada poniżej 50 000 cykli, czyli mniej niż 3 miesiące i jest nie do przyjęcia.

Wpływ stężenia chlorków i temperatury na zmniejszenie trwałości zmęczeniowej

The corrosion fatigue life decrease factor is dependent on chloride concentration and temperature. The fatigue life at 2 cycles per day is >2,000 years and at 6 cycles per day is >1000 lat w słodkiej wodzie o temperaturze 70 stopni i stężeniu chlorku 0 ppm. Współczynnik redukcji trwałości=1.0. 15 000 ppm chlorku 70°C Trwałość zmęczeniowa przy 2 cyklach dziennie 500 - 1 000 lat Trwałość zmęczeniowa przy 6 cyklach dziennie 180 - 365 lat Współczynnik redukcyjny ~ 0,5 Przy 70 stopniach przy 30 000 ppm chlorku trwałość zmęczeniowa wynosi 300-600 lat przy 2 cyklach dziennie i 100-200 lat przy 6 cykli dziennie. Współczynnik redukcji wynosi 0,3. Trwałość zmęczeniowa przy 2 cyklach dziennie wynosi 200-400 lat, a przy 6 cyklach dziennie 70-150 lat w 15 000 ppm chlorku w temperaturze 90°C ze współczynnikiem redukcyjnym 0,25.

Podręcznik zarządzania częstotliwością uruchamiania/zatrzymywania i trwałością zmęczeniową

Poniższa tabela przedstawia zalecane maksymalne częstotliwości włączania/wyłączania dla zanurzalnych grzejników tytanowych-do studni głębinowych pracujących w wodzie chlorkowej o stężeniu 15 000 ppm i temperaturze 70 stopni, w oparciu o oczekiwany okres użytkowania i zastosowanie metod łagodzenia zmęczenia.

Pożądany okres użytkowania (lata) Stężenie chlorków (ppm) Maksymalna zalecana częstotliwość uruchamiania/zatrzymywania (cykle/dzień) Wymagane środki łagodzące Oczekiwany margines trwałości zmęczeniowej
20 <5,000 100 2× None 20 15,000 20 2× Soft-start controller 10 15,000 50 2× Soft-start + weld stress relief
10 30,000 15 2× Miękki-start + tytan klasy 7
5 15,000 80 2× Miękki start + coroczna kontrola
5 30,000 25 2× Stopień 7 + stresu-odciążony
Kontrola częstotliwości dla inżynierii wykraczającej poza start/stop

Jakość tytanu będzie miała wpływ na odporność na zmęczenie w środowiskach korozyjnych. Klasa 7 jest podobna do klasy 2 pod względem wytrzymałości zmęczeniowej, ale ma lepszą odporność na korozję, a tym samym zmniejszenie współczynnika przyspieszenia zmęczenia korozyjnego o 30–50%. Jakość spoiny jest kluczowa. Gładka, zeszlifowana spoina przejściowa ma współczynnik koncentracji naprężeń K t równy 1,5-2 w porównaniu z 3-5 dla złącza as-spawanego. Zwiększając grubość ścianki z 1,5 mm do 2,5 mm, amplituda naprężeń przy identycznym skoku ciśnienia zmniejsza się o 30%. Wyżarzanie odprężające po spawaniu w temperaturze 540 stopni przez 30 minut minimalizuje naprężenia szczątkowe i podwaja trwałość zmęczeniową. Sterownik pompy o łagodnym rozruchu obniża skoki ciśnienia hydraulicznego o 50–70%.

Tworzenie inteligentnej specyfikacji

Zaprojektuj system sterowania pompą dla tytanowego grzejnika głębinowego ze studnią głębinową w wodzie chlorkowej o stężeniu 15000 ppm i temperaturze 70 stopni C, aby ograniczyć częstotliwość uruchamiania/zatrzymywania do 6 cykli dziennie lub mniej. W przypadku zastosowań wymagających częstszych cykli należy określić sterownik łagodnego rozruchu w celu ograniczenia skoków ciśnienia. Wszystkie spoiny kołnierzy należy zeszlifować na płasko do wysokości zbrojenia mniejszej niż 0,1 mm i odprężyć w temperaturze 540 stopni przez 30 minut w środowisku argonu. Zmodernizuj istniejące nagrzewnice o wysokiej częstotliwości cyklicznej za pomocą przetwornicy częstotliwości, aby stopniowo zwiększać prędkość pompy. Raz w roku sprawdzać spoinę kołnierza za pomocą środka penetrującego. Jeżeli zostaną zaobserwowane jakiekolwiek oznaki pęknięcia, należy natychmiast wymienić grzejnik. Inżynier zarządza częstotliwością włączania/wyłączania pompy i jakością spoin, aby zapobiec zmęczeniu korozyjnemu ograniczającemu trwałość spoin kołnierzy podgrzewacza tytanu w wodzie gruntowej o wysokiej{{12}chlorku.