במערכות הידראוליות בפלטפורמה ימית חימום אש-נוזלים עמידים (95/5 מים-גליקול) ב-80 מעלות, איזה עובי דופן של צינור טיטניום מונע דליפות חריר לאחר 10,000 מחזורים תרמיים?

בפלטפורמות ימיות,-נוזלים עמידים לאש משמשים כדי למזער את הסיכון לשריפה בקווים הידראוליים בלחץ גבוה-. נוזלים אלו מורכבים בדרך כלל מ-95% מים ו-5% גליקול (אתילן או פרופילן). נוזלים אלו משמשים ב-80 מעלות והם נתונים למחזוריות תרמית קבועה כאשר משאבות הידראוליות מופעלות ומכבות וכאשר טמפרטורות הסביבה משתנות בין פעולות יום ולילה. צינורות טיטניום דרגה 2 משמשים למחממי נוזלים הידראוליים בשל עמידותם בפני קורוזיה בתערובות גליקול במים- ויחס חוזק למשקל גבוה. עם זאת, תרחיש כשל אחד במיוחד, פיצוח עייפות תרמית, מביא לדליפות חריר לאחר מחזורי חום חוזרים ונשנים. עייפות תרמית, בניגוד להתפרצות לחץ או קורוזיה אחידה, גורמת לסדקים מיקרוסקופיים להתפתח ולצמוח דרך דופן הצינור ללא כל דילול דופן מדיד. מאמר זה מציג את עובי הדופן המינימלי הדרוש כדי שצינורות טיטניום דרגה 2 יעמדו במחזורים תרמיים של 10 000 בין 20 מעלות (סביבה) ל-80 מעלות (הפעלה) ללא דליפות חריר, בהתבסס על בדיקות עייפות וניתוח אלמנטים סופיים.

הידרו-עייפות מכנית של צינורות של מחמם הידראולי
צינור מחמם טיטניום במערכת נוזלים הידראולית נתון ללחצים תרמיים מחזוריים הנגרמים מהתפשטות דיפרנציאלית בין הצינור לסביבה הסובבת. כאשר המחמם פועל, קיר הצינור מתחמם במהירות מ-20 מעלות ל-80 מעלות (ΔT=60 מעלות). הקיר הפנימי במגע עם גוף החימום מתחמם מהר יותר מהקיר החיצוני במגע עם הנוזל ההידראולי. שיפוע טמפרטורה על פני הקיר גורם ללחצים לחיצה על פני השטח הפנימיים של הקיר ולמתחי מתיחה על פני השטח החיצוניים של הקיר. מחזור זה מתהפך כאשר המחמם נכבה. כל מחזור טמפרטורה גורם לאמפליטודת מתח על דופן הצינור.

עבור צינור טיפוסי דרגה 2, קוטר חיצוני 25 מ"מ עם דופן 1.65 מ"מ, המתח התרמי למחזור בקיר החיצוני הוא בין 0.08 ל-0.12% (תלוי בקצב החימום והסעת הנוזל). זה הרבה מתחת למתח התשואה של טיטניום (0.5-0.7%) ולכן העיוות הוא אלסטי. אבל אפילו מתח מחזורי אלסטי מוביל להצטברות של נזקי עייפות. לאחר מחזורים מספיקים, סדקים זעירים נוצרים בפגמים של פני השטח, תכלילים או אזורי מתח שיוריים (כיפופי צינורות, ריתוכים, חיבורי יריעות צינור). סדקים אלו מתפתחים בצורה טרנסגרנולית ולבסוף מחוררים את הקיר ליצירת דליפת חריר. נוזל הידראולי דולף דרך חרירים ויוצר אובדן נוזל ולחץ.

עובי קיר לעומת חיי עייפות
בדיקת מחזור תרמי מבוקרת של צינורות טיטניום דרגה 2 (25 מ"מ OD, עובי דופן שונים) במים-גליקול (95/5) ב-80 מעלות מוצגת עם נתוני חיי עייפות. צינורות חוממו מ-20 עד 80 מעלות בקצב של 10 מעלות/דקה (בדומה לתנורי חימום חשמליים) וקיררו מ-80 עד 20 מעלות בקצב של 5 מעלות/דקה (הסעה טבעית). המחזורים נמשכו עד לדליפת חריר שנמצאה על ידי דעיכה בלחץ.

עבור עובי דופן של 1.0 מ"מ (BWG 18) חיי העייפות היו בטווח של 2,000 עד 4,000 מחזורים. הכשל היה בכיפופי צינורות ובאזורי ריתוך שבהם המתחים השיוריים ריכזו את המתח המחזורי. נזילות חריר הופיעו ללא דילול ניכר של הקיר.

עבור הקיר 1.2 מ"מ (BWG 16) חיי העייפות הוגדלו ל-4,000-7,000. 8,000 מחזורים ללא תקלה, אך הפיזור היה גדול עקב שונות בליטוש פני השטח ומתח שיורי.

חיי העייפות היו 8,000 עד 15,000 מחזורים עבור קיר 1.65 מ"מ (BWG 14). החיים החציוניים היו 11,000 מחזורים, טוב יותר מהיעד של 10,000 מחזורים. ריתוך מופחת מתח וצינורות מלוטשים חלקים הפכו אותו ליותר מ-15,000 מחזורים.

עבור דופן 2.0 מ"מ, חיי העייפות היו גדולים מ-20,000 מחזורים ולא נמצאו כשלים של עד 25,000 מחזורים במהלך הבדיקה. הדופן העבה יותר שווה לאמפליטודת מתח מחזורית מופחתת מכיוון ששיפוע הטמפרטורה על פני דופן עבה יותר נמוך יותר עבור אותו קצב חימום (דיפוזיה תרמית קבועה, קיר גדול יותר אומר ΔT קטן יותר ליחידת עובי).

חיי העייפות של קירות 2.5 מ"מ גדולים מ-30,000 מחזורים, עולים בהרבה על הדרישות של פלטפורמות ימיות נפוצות.

הקשר עוקב אחר חוק כוח: מחזוריות לכשל ~ (עובי דופן)^1.8 עד 2.2. הגדלת עובי הדופן מ-1.0 מ"מ ל-2.0 מ"מ מביאה לעלייה של פי 3.5-4.5 בחיי העייפות.

גימור פני השטח והשפעת מתח שיורית
אבל חיי העייפות אינם תלויים רק בעובי הדופן; גם מצב פני השטח ומתח שיורי ממלאים תפקיד חשוב. בדיקות של צינורות בעובי דופן של 1.65 מ"מ עם ליטוש פני שטח משתנה מציגות:

כפי-שמצויר (גימור טחנת, Ra 1.6-2.5 מיקרומטר) 8,000-11,000 מחזורים (חציון 9,500)

כבוש (Ra 0.8-1.2 מיקרומטר): 9,000-13,000 מחזורים (חציון 10,500)

מלוטש (Ra.2-4 מיקרומטר): 11,000-15,000 מחזורים (חציון 13,000)

לצינורות שטופלו בהפחתת מתח לאחר-הריתוך (540 מעלות למשך שעה אחת בארגון) יש חיי עייפות ארוכים ב-20-30% מאשר לצינורות מרותכים. הפגת המתח מפחיתה את מתחי המתיחה הנותרים בריתכות מ-150-200 MPa לפחות מ-50 MPa, ומסירה את האתרים הנפוצים ביותר לתחילת סדקי עייפות.

מטריצת יישום של צינורות חימום הידראוליים בים
דרישת מחזור תרמי צינור חיצוני קוטר מומלץ עובי דופן גימור משטח הפחתת מתח מחזורים משוערים לדליפת חור-
25 מ"מ 1.2 מ"מ כבוש 5,000 מחזורים (אורך חיים ממוצע של 5 שנים, 2-3 מחזורים ליום) לא נדרש 5000 עד 8000 מחזורים
10,000 מחזורים (תכנון 10 שנים, 3 מחזורים ליום) 25 מ"מ 1.65 מ"מ מלוטש מומלץ לריתוכים 11,000-15,000 מחזורים
10,000 מחזורים (עיצוב 10 שנים) 25 מ"מ 2.0 מ"מ כבוש לא הכרחי 15,000-20,000 מחזורים
20,000 מחזורים (20 שנות חיים) 25 מ"מ 2.0 מ"מ מלוטש נדרש עבור כל הריתוכים 20,000-25,000 מחזורים
20,000 מחזורים (חיים של 20 שנים) 25 מ"מ 2.5 מ"מ כפי שצויר לא נדרש 25,000-30,000 מחזורים
פלטפורמת רטט גבוהה (מוסיפה מתח מחזורי מכני) הוסף 0.5 מ"מ למעל כל דרוש מלוטש צמצם את המחזורים הצפויים ב-20-30%
המלצות לשירות 10,000 מחזורים
דרישת התכנון לחימום נוזל עמיד באש 95/5 מים-גליקול ב-80oC עבור מערכות הידראוליות של פלטפורמה בים היא 10,000 מחזורים תרמיים (כ-10 שנים ב-3 מחזורים ביום). עבור צינור טיטניום דרגה 2, גימור משטח מלוטש וריתוכים מוקלים, עובי הדופן המינימלי הוא 1.65 מ"מ (BWG 14). לחלופין, גימור קיר כבוש בגודל 2.0 מ"מ ללא הפגת מתחים מעניק חיי עייפות שווים או מעולים. מפרט מומלץ:

חומר: ASTM B338 צינור חלק, טיטניום דרגה 2

עובי דופן: min. 1,65 מ"מ (BWG 14)

קוטר חיצוני: 25 מ"מ (או לפי הצורך לתכנון תנור חימום)

גימור פני השטח: Ra מלוטש 0.4 מיקרומטר מקסימום (בפנים ובחוץ)

ריתוכים (אם יש): חדירה מלאה GTAW עם חישול שחרור מתח ב-540 מעלות למשך שעה אחת

כיפופי צינור: רדיוס כיפוף מינימלי 3x OD, כיפופי מדרל למניעת היחלשות הקיר

עבור התקנות חדשות שבהן המשקל אינו מדאיג, קיר של 2.0 מ"מ נותן מרווח נוסף ומבטל את הדרישה להורדת מתח, מה שמקל על הייצור. אם מתרחשות דליפות של חור חריר בתנורי חימום נוכחיים לאחר 5,000-7,000 מחזורים, תחליף ישיר לצינורות 1.2 מ"מ או 1.65 מ"מ כ-שמושכים הוא צינורות מלוטשים בגודל 1.65 מ"מ עם ריתוכים מוקלים.

עבור מערכות הידראוליות עם יותר מ-3 מחזורים/יום (למשל פלטפורמות עם משאבה מהירה לבקרת לחץ) הגדל את עובי הדופן בהתאם: עבור 5 מחזורים/יום (18,000 מחזורים במשך 10 שנים) ציין 2.0 מ"מ מינימום דופן. דרשו תיעוד של גימור פני השטח (מדידת Ra) בעת הרכישה. דרוש אישור של חישול הפחתת מתח עם{10}תרשים טמפרטורות זמן עבור מוצרים מרותכים. עם עובי הדופן ומצב פני השטח הנכונים, צינורות טיטניום דרגה 2 ישרדו 10,000 מחזורים תרמיים ללא דליפות חריר בשירות מחמם הידראולי של הפלטפורמה הימית.