Aký bezpečnostný faktor (2,0 vs 3,0) je vhodný pri výpočte praskacieho tlaku titánového ohrievača pre hydraulický riadiaci systém?

Keď hydraulický inžinier navrhne titánový ohrievač pre vysokotlakový{0}}hydraulický riadiaci systém, ako sú ovládače lietadiel, podmorské zariadenia alebo ťažké stroje, výpočet deštrukčného tlaku musí zahŕňať bezpečnostný faktor (SF), aby sa zohľadnili odchýlky v materiáli, výrobné chyby a prevádzkové podmienky. Deštrukčný tlak ( P prasknutie ) tenkostennej titánovej rúrky - je daný ako P prasknutie=SF(2σ ult t/D), kde σ ult je konečná pevnosť v ťahu (2. stupeň: 345 MPa), t je hrúbka steny a D je vonkajší priemer. Pre ne-kritické systémy, ktoré sa pravidelne kontrolujú, výber SF=2.0 vám poskytne praskací tlak, ktorý je dvojnásobkom maximálneho prevádzkového tlaku. Pre bezpečnostné-systémy alebo systémy s vibráciami, tlakovými špičkami alebo korozívnymi podmienkami je potrebný trojnásobný nárazník. Výber SF{13}} to umožňuje. Vhodné SF sa spolieha na následky zlyhania a prevádzkové prostredie.

Výber bezpečnostných faktorov pre titánové tlakové komponenty
Bezpečnostný faktor pre tlak pri roztrhnutí zahŕňa šesť faktorov, ktoré nie sú zahrnuté v jednoduchom výpočte napätia obruče: 1) odchýlka v hrúbke steny rúrky (zvyčajne +/{2}} % nominálnej hodnoty), 2) oválnosť (mimo -z-kruhovitosti znižuje tlak pri roztrhnutí o 10-25 %), 3) povrchové chyby (škrabance) zníženie lokálnej pevnosti{04} škrabance{02} zníženie lokálnej pevnosti (pevnosť klesá o 10-20% pri 100 stupňoch v porovnaní s izbovou teplotou), 5) únava (cyklický tlak znižuje životnosť) a 6) tolerancia na koróziu (stenčenie steny v priebehu času). S bezpečnostným faktorom 2,0 (normálny pre nekritické hydraulické systémy) predpokladáte, že tieto premenné sú dobre regulované a že systém je pravidelne kontrolovaný. Bezpečnostný faktor 3,0 (ako je zvykom pre tlakové nádoby podľa ASME oddiel VIII) predpokladá najhoršie možné kombinácie všetkých faktorov a žiadny prístup na kontrolu.

Kvantifikácia tlaku prasknutia SF=2.0 verzus SF=3.0 pre typické veľkosti rúrok
OD rúry (mm)|Hrúbka steny (mm)|Maximálny prevádzkový tlak (bar) pri SF=2.0|Maximálny prevádzkový tlak (bar) pri SF=3.0 |Odporúčaná aplikácia 12.7 1.0 108 72 Nízky tlak, ne-kritický 12.7 1.5 163 108 Stredný tlak
16.0 1.5 130 86 Všeobecná hydraulika 16.0 2.0 173 115 Vyšší tlak 20.0 1.5 104 69 Stredný tlak, väčší prietok
20.0 2.0 138 92 Všeobecný priemyselný 20.0 2.5 173 115 Vysoko-tlakový hydraulický 25.4 2.0 109 73 Podmorský mierny tlak
Potrebné je 25.4 2.5 136 91 Deep subsea, SF=3.0 25.4 3.0 163 109 Subsea, SF=3.0
Sprievodca výberom bezpečnostného faktora na základe scenára
Aplikácia a následky poruchyTypický pracovný tlak (bar) Odporúčané SF Zdôvodnenie
Vyhrievanie hydraulického potrubia lietadla (zásadné pre bezpečnosť) 210-350 3.0-4.0 Porucha spôsobuje stratu kontroly. Musí mať vysoké SF.
Podmorský kontrolný systém (hĺbka 1500 m, vonkajší 150 bar) 200 (vnútorný) 3,0 Vonkajší tlak môže spôsobiť kolaps. 3.0 minimálne API 17E SF=
Priemyselný hydraulický lis (ne-kritický) 150-250 2.0 Periodická kontrola. Porucha vedie k prestojom, nie k ohrozeniu bezpečnosti.
Hydraulický ohrievač poľnohospodárskych zariadení 100-200 2.0 Stredný následok. Kritériá SF=2.0.
Mobilné stroje (rýpadlo, nakladač) 200-300 2.5 Vibračné a rázové zaťaženia vyžadujú stredné SF .
Ohrievač skúšobného stojana (prerušovaný, pod dohľadom) Až do 400 2.0 Okamžité vypnutie pod dohľadom v prípade zistenia úniku.
Hydraulický systém morskej vody (korozívny) 100-150 3.0 Potrebná povolená tolerancia korózie. SF=3.0 bolo spôsobené stenčovaním stien.
High-cycle hydraulic system (>1 milión cyklov/rok)Akákoľvek 3.0+ analýza únavy SF=3.0 nie je vhodná pre ťažké cykly. Vyžaduje sa výpočet únavy krivky S-N.
Technické faktory zvyšujúce požadovaný bezpečnostný faktor
Zvýšte bezpečnostný faktor na 3,0 alebo vyšší, ak nastane niektorá z nasledujúcich situácií. Zváraná rúrka (odporúčaná pre hydraulické použitie) znižuje tlak pri roztrhnutí o 20-40% vo zvarovom šve. Z dôvodu zníženia pevnosti titánu o 10-20% pri prevádzkovej teplote 80 °C by sa SF mala upraviť na základe faktora zníženia teploty. Cyklovanie tlaku (viac ako 10 000 cyklov/rok) si vyžaduje analýzu únavy. SF=3.0 nemusí stačiť. V korozívnom prostredí (morská voda, kyseliny) sa stena časom stenčuje a SF musí brať do úvahy očakávané zhoršenie. Výpočty dynamického roztrhnutia musia brať do úvahy dodatočné namáhanie spôsobené vibráciami a mechanickými nárazmi. Pre akúkoľvek kombináciu týchto parametrov sa odporúča skôr preskúmanie návrhu s úplnou analýzou konečných prvkov (FEA) a predikciou únavovej životnosti, než sa spoliehať len na bezpečnostný faktor.

Záver: SF=3.0 pre bezpečnosť-kritické, SF=2.0 pre hydraulické služby nekritické-
Bezpečnostný faktor 2,0 je ideálny pre ne-kritické aplikácie, kde by porucha ohrievača viedla iba k prestojom a hydraulický riadiaci systém je rutinne monitorovaný, napr. praskací tlak titánového ohrievača v hydraulickom riadiacom systéme. Bezpečnostný faktor 3,0 je potrebný pre bezpečnosť-kritické (lietadlo, ponorka, vysoký-tlak) alebo korozívne podmienky, vibrácie alebo tlakové cykly. Existuje veľký rozdiel v prevádzkovom tlaku medzi SF=2.0 a SF=3.0. Napríklad titánovú trubicu s priemerom 20 mm x 2,0 mm je možné prevádzkovať pri 138 baroch s SF=2.0, ale iba pri 92 baroch s SF=3.0, čo je rozdiel 33 %. Pri špecifikácii titánového ohrievača pre akúkoľvek hydraulickú aplikáciu by mal byť dodávateľovi poskytnutý maximálny prevádzkový tlak, prevádzková teplota, cyklická prevádzka a dôsledky poruchy, aby bolo možné zvoliť správny bezpečnostný faktor a špecifikovať správnu hrúbku steny, aby boli splnené požiadavky na bezpečnosť a výkon.