V 90-stupňovom systéme katódovej ochrany morskej vody sú titánové ohrievače vystavené korozívnemu pôsobeniu a vodíkovému skrehnutiu. Špička zvaru je oblasťou vysokej koncentrácie napätia. Keďže-zvarové spoje majú faktor koncentrácie napätia (SCF) 3–5, zatiaľ čo leštené zvarové špičky znižujú SCF pod 1,2. Vyššia hodnota SCF zosilňuje ťahové napätia, čím podporuje vznik trhlín vyvolaných vodíkom- a iniciáciu únavových trhlín. Zníženie SCF leštením predlžuje životnosť o faktor 5. Zlepšenie je pozorované ako v titánovom plášti, tak aj vo vnútri odporového drôtu.

Mechanizmus vplyvu faktora koncentrácie stresu na únavový život

Vo zvarovom spoji pôsobí zvarová špička ako zárez, ktorý sústreďuje aplikované a zvyškové napätia. Efektívne napätie na špičke zvaru je σ_max=SCF × σ_nominal. Pre -zvarový spoj s SCF=4 nominálne napätie 50 MPa vytvára lokálne napätie 200 MPa, blížiace sa medze klzu titánu 2. stupňa. Pre leštený spoj s SCF=1.2 vytvára rovnaké nominálne napätie lokálne napätie iba 60 MPa. V systéme katódovej ochrany sa na povrchu titánu vytvárajú atómy vodíka. Ťahové napätie ťahá vodík do oblasti maximálneho trojosového napätia na špičke zvaru, kde sa zrážajú hydridy a vznikajú trhliny. Nižší SCF znižuje hnaciu silu pre akumuláciu vodíka.

Kvantitatívna únavová životnosť ako funkcia stavu špičky zvaru

Kontrolované cyklické zaťažovacie skúšky v 90-stupňovej morskej vode s katódovou ochranou pri -0,85 V oproti Ag/AgCl stanovili nasledujúcu únavovú životnosť pre titánové zvarové spoje 2. stupňa. V prípade zváraného spoja s ostrým zárezom (SCF 4–5) sú cykly iniciácie trhlín 10 000 až 30 000 a životnosť v porovnaní so zvareným spojom je 1,0. Pre zvarový spoj s priemernou geometriou (SCF 3 – 4) sú cykly 20 000 – 50 000 a relatívna životnosť je 1,5. Pre brúsený hladký spoj (SCF 1,5–2) sú cykly 50 000–150 000 a relatívna životnosť je 3,0. Pre mechanicky leštený spoj (SCF 1,2 – 1,5) sú cykly 80 000 – 200 000 a relatívna životnosť je 4,0. Pre elektrolyticky leštený spoj s SCF pod 1,2 sú cykly 150 000 – 300 000 a relatívna životnosť je 5 – 7-krát väčšia ako pri zváraní.

Vplyv potenciálu katódovej ochrany na citlivosť SCF

Výhoda leštenia sa zvyšuje, keď sa potenciál katódovej ochrany stáva negatívnejším (väčšou ochranou). Pri -0,80 V vs. Ag/AgCl je životnosť zvárania 100 000 – 200 000 cyklov, životnosť lešteného 500 000 – 1 000 000 cyklov a pomer životnosti je 5. Pri -životnosti pri zváraní{15} je 0,85 V{3 30 000 – 60 000 cyklov, leštená životnosť je 150 000 – 300 000 cyklov a pomer zostáva 5. Pri -0,90 V je životnosť pri zváraní 10 000 – 20 000 cyklov, leštená životnosť je 50 000 – 000 cyklov a pomer -5 000,5.5 životnosť po zváraní je 5 000 – 10 000 cyklov, životnosť lešteného materiálu je 25 000 – 50 000 cyklov a pomer je 5. Konzistentné 5-násobné zlepšenie naznačuje, že leštenie rieši základný mechanizmus koncentrácie napätia nezávislý od absolútnej životnosti.

Sprievodca dokončovaním špičky zvaru pre službu katódovej ochrany

Nasledujúca tabuľka poskytuje odporúčania pre konečnú úpravu špičky zvaru pre titánové ohrievače v 90-stupňových systémoch katódovej ochrany morskej vody na základe očakávaných požiadaviek na cyklickú životnosť.

Engineering Beyond Weld Toe Finish

Typ titánu ovplyvňuje odolnosť proti únave nezávisle od SCF. Stupeň 7 má podobnú citlivosť SCF, ale vyššiu vnútornú únavovú pevnosť v dôsledku obohatenia paládiom. Hrúbka steny ovplyvňuje menovité napätie pre dané zaťaženie; 2,0 mm stena má nižšie napätie ako 1,0 mm stena pre rovnaký ohybový moment. Dôležitý je tvar výstuže zvaru; hladký prechod s polomerom väčším ako 3 mm znižuje SCF viac ako samotné brúsenie. Žíhanie po-zváraní pri 540 stupňoch počas 30 minút znižuje zvyškové napätie o 60 – 80 %, čím sa ďalej predlžuje životnosť. Potenciál katódovej ochrany by sa mal regulovať na -0,80 až -0,85 V, nie viac negatívne, aby sa minimalizoval vývoj vodíka.

Vypracovanie informovanej špecifikácie

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