W systemie ochrony katodowej wody morskiej o temperaturze 90 stopni, grzejniki tytanowe są narażone zarówno na korozję, jak i kruchość wodorową. Czoło spoiny jest obszarem o dużej koncentracji naprężeń. Ponieważ-połączenia spawane mają współczynnik koncentracji naprężeń (SCF) wynoszący 3–5, podczas gdy polerowane końcówki spoin zmniejszają SCF poniżej 1,2. Wyższy SCF zwiększa naprężenia rozciągające, sprzyjając pękaniu-indukowanemu wodorem i inicjacji pęknięć zmęczeniowych. Zmniejszenie SCF poprzez polerowanie wydłuża żywotność 5-krotnie. Poprawę obserwuje się zarówno w przypadku tytanowej osłony, jak i znajdującego się w niej drutu oporowego.

Mechanizm wpływu czynnika koncentracji naprężeń na trwałość zmęczeniową

W złączu spawanym czoło spoiny działa jak karb, który koncentruje naprężenia przyłożone i szczątkowe. Efektywne naprężenie na czubku spoiny wynosi σ_max=SCF × σ_nominal. W przypadku-połączenia spawanego z SCF=4 naprężenie nominalne 50 MPa powoduje naprężenie lokalne 200 MPa, zbliżone do granicy plastyczności tytanu klasy 2. W przypadku polerowanego połączenia z SCF=1.2 to samo naprężenie nominalne powoduje naprężenie lokalne o wartości zaledwie 60 MPa. W systemie ochrony katodowej na powierzchni tytanu powstają atomy wodoru. Naprężenie rozciągające przyciąga wodór do obszaru maksymalnego trójosiowego naprężenia na czubku spoiny, gdzie wytrącają się wodorki i inicjują pęknięcia. Niższy SCF zmniejsza siłę napędową gromadzenia się wodoru.

Ilościowa trwałość zmęczeniowa jako funkcja stanu palca spoiny

Kontrolowane badania obciążenia cyklicznego w wodzie morskiej o temperaturze 90 stopni z ochroną katodową przy -0,85 V w porównaniu z Ag/AgCl ustaliły następującą trwałość zmęczeniową dla złączy spawanych tytanu klasy 2. W przypadku-połączenia spawanego z ostrym karbem (SCF 4–5) cykle do inicjacji pęknięcia wynoszą 10 000–30 000, a trwałość względem-pospawania wynosi 1,0. W przypadku-połączenia spawanego o średniej geometrii (SCF 3–4) liczba cykli wynosi 20 000–50 000, a trwałość względna wynosi 1,5. W przypadku szlifowanego gładkiego złącza (SCF 1,5–2) cykle wynoszą 50 000–150 000, a trwałość względna wynosi 3,0. W przypadku połączenia polerowanego mechanicznie (SCF 1,2–1,5) cykle wynoszą 80 000–200 000, a trwałość względna wynosi 4,0. W przypadku złącza elektropolerowanego o SCF poniżej 1,2 cykle wynoszą 150 000–300 000, a względna trwałość jest 5–7 razy większa niż w stanie po spawaniu.

Wpływ potencjału ochrony katodowej na czułość SCF

Korzyści z polerowania rosną, gdy potencjał ochrony katodowej staje się bardziej ujemny (bardziej ochronny). Przy -0,80 V w porównaniu do Ag/AgCl, trwałość-po spawaniu wynosi 100 000–200 000 cykli, trwałość po polerowaniu wynosi 500 000–1 000 000 cykli, a współczynnik trwałości wynosi 5. Przy -0,85 V trwałość po spawaniu wynosi 30 000–60 000 cykli, trwałość polerowania wynosi 150 000–300 000 cykli, a stosunek pozostaje 5. Przy -0,90 V trwałość po spawaniu wynosi 10 000–20 000 cykli, trwałość polerowania wynosi 50 000–100 000 cykli, a stosunek wynosi 5. Przy -0,95 V, trwałość po spawaniu wynosi 5 000–10 000 cykli, trwałość polerowana wynosi 25 000–50 000 cykli, a stosunek wynosi 5. Stała 5-krotna poprawa wskazuje, że polerowanie uwzględnia podstawowy mechanizm koncentracji naprężeń niezależny od trwałości bezwzględnej.

Przewodnik dotyczący wykańczania spoin dla usługi ochrony katodowej

Poniższa tabela zawiera zalecenia dotyczące wykończenia krawędzi spoiny dla grzejników tytanowych w systemach ochrony katodowej wody morskiej o temperaturze 90 stopni, w oparciu o oczekiwane wymagania dotyczące trwałości cyklicznej.

Inżynieria wykraczająca poza wykańczanie spoin

Gatunek tytanu wpływa na odporność zmęczeniową niezależnie od SCF. Klasa 7 ma podobną czułość SCF, ale wyższą wewnętrzną wytrzymałość zmęczeniową dzięki wzbogaceniu palladem. Grubość ścianki wpływa na naprężenie nominalne dla danego obciążenia; ściana o grubości 2,0 mm ma mniejsze naprężenia niż ściana o grubości 1,0 mm przy tym samym momencie zginającym. Kształt zbrojenia spoiny ma znaczenie; płynne przejście o promieniu większym niż 3 mm zmniejsza SCF bardziej niż samo szlifowanie. Wyżarzanie odprężające po-spawaniu w temperaturze 540 stopni przez 30 minut zmniejsza naprężenia szczątkowe o 60–80%, dodatkowo poprawiając trwałość zmęczeniową. Potencjał ochrony katodowej powinien być kontrolowany w zakresie -0,80 do -0,85 V, a nie bardziej ujemnym, aby zminimalizować wydzielanie wodoru.

Sporządzanie świadomej specyfikacji

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 >3 do<1.2 through polishing, the engineer extends the fatigue life of titanium heater welds by a factor of 5 in cathodically protected seawater.