Prečo má titánový ponorný ohrievač s leštenou zvarovou špičkou (faktor koncentrácie stresu<1.2) Outlast an As-Welded Joint (SCF >3) faktorom 5 v 90-stupňovom systéme katódovej ochrany morskej vody?

Titánové ohrievače v 90 stupňovom systéme katódovej ochrany morskej vody boli napadnuté koróziou a vodíkovým skrehnutím. Špička zvaru je oblasťou s vysokou koncentráciou napätia. SCF -zvarových spojov je 3-5 a leštených zvarových špičiek je pod 1,2. Väčšia SCF vedie k zvýšeným ťahovým napätiam a tým k zvýšenému vodíkom indukovanému praskaniu a iniciácii únavových trhlín. Leštenie na zníženie SCF zvyšuje životnosť o faktor 5. Zlepšenie je vidieť na titánovom plášti a odporovom drôte vo vnútri.

Úloha faktora koncentrácie stresu v únavovom živote

Zvarový spoj je zárez, kde špička zvaru koncentruje aplikované a zvyškové napätia. Napätie špičky zvaru je dané σ_max=SCF krát σ_nominálne. Pri SCF 4 pre zváraný spoj -vytvára nominálne napätie 50 MPa lokálne napätie 200 MPa, ktoré je blízke medze klzu titánu triedy 2. S SCF=1.2 pre leštený spoj vytvára rovnaké nominálne napätie lokálne napätie len 60 MPa. V systéme katódovej ochrany sa na povrchu titánu vytvárajú atómy vodíka. Ťahové napätie ťahá vodík do polohy maximálneho trojosového napätia na špičke zvaru, kde sa zrážajú hydridy a vznikajú trhliny. Nižší SCF znižuje hnaciu silu pre akumuláciu vodíka.

Únavová životnosť ako funkcia stavu špičky zvaru, kvantitatívna

Únavové životnosti titánových zvarových spojov stupňa 2 boli získané z kontrolovaných cyklických zaťažovacích testov v 90-stupňovej morskej vode s katódovou ochranou pri -0,85 V oproti Ag/AgCl. Životnosť v porovnaní s-zvareným spojom ako{12}}s ostrým zárezom (SCF 4-5) je 10 000 – 30 000 cyklov do začiatku prasknutia. Pre zváraný spoj s priemernou geometriou (SCF 3-4) sú cykly 20 000-50 000 a relatívna životnosť je 1,5. Hladké brúsenie spoja (SCF 1.5-2) 50 000-150,000 3.0 V prípade spoja mechanicky lešteného (SCF 1.2-1.5) sú cykly 80 000-200 000 a relatívna životnosť je 4,0. Pre elektrolyticky leštený spoj s SCF menším ako 1,2 sú cykly 150 000 až 300 000 a relatívna životnosť je 5 až 7-násobok stavu pri zváraní.

Vplyv potenciálu katódovej ochrany na citlivosť SCF

Výhoda leštenia sa zvyšuje s negatívnym potenciálom katódovej ochrany (väčšia ochrana). Ako-životnosť zvárania je 100 000-200 000 cyklov. Životnosť leštenia je 500 000-1 000 000 cyklov. Životnosť je 5 pri -0,80 V vs. Ag/AgCl. Pri -0,85 V má po zváraní životnosť 30 000 - 60 000 cyklov, leštený má životnosť 150 000 - 300 000 cyklov a pomer je stále 5. Životnosť po zváraní pri -0,90 V je 10 000 - 20 000 cyklov 50 000 – 100 000 cyklov a pomer je 5. Životnosť po zváraní pri -0,95 V je 5 000 – 10 000 cyklov, leštená životnosť je 25 000 – 50 000 cyklov a pomer je 5. 5-násobné konzistentné zlepšenie dokazuje, že leštenie životnosti koncentračného mechanizmu rieši hlavnú príčinu

Návod na úpravu špičky zvaru pre služby katódovej ochrany

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

Očakávané cykly počas životnosti Požadovaná SCF Odporúčaná povrchová úprava špičky zvaru Očakávaná únavová životnosť (cykly) v pomere k-zvaru<10,000 <4 As-Welded (any) 10,000-30,000 1x 10,000-50,000 <3 As-welded (smooth) 20,000-50,000 1.5x 50,000-150,000 <2 Ground smooth 50,000-150,000 3x 150,000-300,000 <1.5 Mechanically polished 80,000-200,000 4x >300,000 <1.2 Electropolished 150,000-300,000 5-7x Engineering Beyond Weld Toe Finishing

Odolnosť proti únave je ovplyvnená triedou titánu nezávisle od SCF. Stupeň 7 je podobne citlivý na SCF, ale má vyššiu vnútornú únavovú pevnosť v dôsledku obohatenia paládiom. Pre dané zaťaženie je menovité napätie závislé od hrúbky steny. Stena s hrúbkou 2,0 mm dáva pri rovnakom ohybovom momente nižšie napätie ako stena s hrúbkou 1,0 mm. Je potrebné vziať do úvahy tvar výstuže zvaru. Hladký prechod (polomer > 3 mm) znižuje SCF viac ako len brúsenie. Žíhanie po-odľahčení zvárania pri 540 stupňoch počas 30 minút znižuje zvyškové napätie o 60 – 80 % a výrazne zvyšuje únavovú životnosť. Potenciál katódovej ochrany by mal byť nastavený na -0,80 až -0,85 V, ale nie negatívnejší, aby sa minimalizoval vývoj vodíka.

Napísanie informovanej špecifikácie

Specify electropolish all weld toes to a stress concentration factor less than 1.2 for titanium immersion heater in 90°C seawater cathodic protection service. Require profilometer readings to verify that the weld toe radius is more than 3 mm. For existing heaters with as-welded joints, include a stress-relief anneal and grind the weld toes smooth. During operation, examine the weld area annually using dye penetrant and regrind and repolish if cracks are found. Polishing the titanium heater welds reduces the stress concentration factor from >3 až<1.2 and increases the fatigue life by a factor of 5 in cathodically protected seawater.