I offshore-hydrauliska system för uppvärmning av brand-beständiga vätskor (95/5 vatten-glykol) vid 80 grader, vilken väggtjocklek hos titanröret förhindrar läckage av hål efter 10 000 termiska cykler?

I offshoreplattformar används-brandbeständiga vätskor för att minimera risken för brand i högtryckshydraulikledningar-. Dessa vätskor består vanligtvis av 95 % vatten och 5 % glykol (etylen eller propylen). Dessa vätskor används vid 80 grader och utsätts för regelbunden termisk cykling när hydraulpumpar slås på och av och när omgivningstemperaturerna ändras mellan dag- och nattdrift. Titanium Grade 2-rör används för hydrauliska vätskevärmare på grund av deras korrosionsbeständighet i vatten-glykolblandningar och höga hållfasthet till viktförhållande. Särskilt ett felscenario, termisk utmattningssprickning, resulterar dock i läckage av hål efter upprepade värmecykler. Termisk utmattning, till skillnad från trycksprängning eller jämn korrosion, gör att mikroskopiska sprickor utvecklas och växer genom rörväggen utan någon mätbar väggförtunning. Den här artikeln presenterar den minsta väggtjocklek som krävs för att titanrör av grad 2 ska klara 10 000 termiska cykler mellan 20 grader (omgivningstemperatur) och 80 grader (drift) utan läckage av hål, baserat på utmattningstestning och analys av finita element.

Hydro-mekanisk utmattning av rör i en hydraulisk värmare
Ett värmerör av titan i ett hydraulvätskesystem utsätts för cykliska termiska påkänningar orsakade av differentiell expansion mellan röret och den omgivande miljön. När värmaren är på värms rörväggen snabbt upp från 20 grader till 80 grader ( ΔT=60 grad ) . Den inre väggen i kontakt med värmeelementet värms upp snabbare än den yttre väggen i kontakt med hydraulvätskan. Temperaturgradienter över väggen orsakar tryckspänningar på väggens inre yta och dragspänningar på väggens utsida. Den cykeln vänds när värmaren stängs av. Varje temperaturcykel inducerar en töjningsamplitud på rörväggen.

För ett typiskt Grad 2-rör, 25 mm ytterdiameter med 1,65 mm vägg, är den termiska belastningen per cykel vid ytterväggen mellan 0,08 och 0,12 % (beroende på uppvärmningshastighet och vätskekonvektion). Detta är långt under avkastningsgränsen för titan (0,5-0,7%) så deformationen är elastisk. Men även elastisk cyklisk stress leder till ansamling av utmattningsskador. Efter tillräckliga cykler bildas små sprickor vid ytfel, inneslutningar eller kvarvarande spänningsområden (rörböjar, svetsar, rörplåtsanslutningar). Dessa sprickor utvecklas transgranulärt och perforerar slutligen väggen för att bilda en pinhole-läcka. Hydraulvätska läcker genom nålhål som ger en förlust av vätska och tryck.

Väggtjocklek vs. trötthetsliv
Kontrollerad termisk cykeltestning av titanrör av grad 2 (25 mm OD, olika väggtjocklekar) i vatten-glykol (95/5) vid 80 grader presenteras med data om utmattningslivslängd. Rören värmdes från 20 till 80 grader med en hastighet på 10 grader/min (liknande elektriska värmare) och kyldes från 80 till 20 grader med en hastighet på 5 grader/min (naturlig konvektion). Cykler fortsatte tills läckage av nålhål hittats genom tryckavfall.

För 1,0 mm väggtjocklek (BWG 18) var utmattningslivslängden i intervallet 2 000 till 4 000 cykler. Fel var vid rörböjar och svetszoner där restspänningarna koncentrerade den cykliska töjningen. Pinhole-läckor uppstod utan att väggen tunnades upp.

För 1,2 mm väggen (BWG 16) ökades utmattningslivslängden till 4 000-7, 000. 8 000 cykler utan fel, men spridningen var stor på grund av varianser i ytpolering och restspänning.

Utmattningslivslängden var 8 000 till 15 000 cykler för 1,65 mm vägg (BWG 14). Medianlivslängden var 11 000 cykler, bättre än målet på 10 000 cykler. Avspänningsavlastade svetsar och släta polerade rör gjorde det över 15 000 cykler.

För 2,0 mm vägg var utmattningslivslängden längre än 20 000 cykler och inga fel hittades upp till 25 000 cykler under testning. Den tjockare väggen är lika med reducerad cyklisk töjningsamplitud eftersom temperaturgradienten över en tjockare vägg är lägre för samma uppvärmningshastighet (termisk diffusivitet fast, större vägg betyder mindre ΔT per enhet tjocklek).

Utmattningslivslängden för 2,5 mm vägg är längre än 30 000 cykler, vilket väl överstiger kraven på vanliga offshoreplattformar.

Förhållandet följer en effektlag: cykler till fel ~ (väggtjocklek)^1,8 till 2,2. En ökning av väggtjockleken från 1,0 mm till 2,0 mm resulterar i en 3,5-4,5-faldig ökning av utmattningslivslängden.

Ytfinish och restspänningspåverkan
Men utmattningslivslängden beror inte enbart på väggtjockleken; yttillstånd och restspänning spelar också en viktig roll. Tester av rör med 1,65 mm väggtjocklek med varierande ytpolering visar:

Som-ritat (fräsfinish, Ra 1,6-2,5 µm) 8 000-11 000 cykler (median 9 500)

Betad (Ra 0,8-1,2 µm): 9 000-13 000 cykler (median 10 500)

Polerad (Ra.2-4 µm): 11 000-15 000 cykler (median 13 000)

Rör behandlade med efter-svetsavlastning (540 grader för 1 timme i argon) har en utmattningslivslängd som är 20-30 % längre än svetsade rör. Spänningsavlastningen minskar de kvarvarande dragspänningarna vid svetsar från 150-200 MPa till mindre än 50 MPa, vilket tar bort de vanligaste platserna för initiering av utmattningssprickor.

Offshore-hydrauliska värmerör Application Matrix
Krav på termisk cykel Rör ytterdiameter Rekommenderad väggtjocklek Ytbeläggning Spänningsavlastning Uppskattade cykler till ett stift-hålsläckage
25 mm 1,2 mm Betad 5 000 cykler (medellivslängd 5 år, 2-3 cykler/dag) Krävs ej 5 000 till 8 000 cykler
10 000 cykler (10 års design, 3 cykler/dag) 25 mm 1,65 mm Polerad Rekommenderas för svetsar 11 000-15 000 cykler
10 000 cykler (10 års design) 25 mm 2,0 mm BetadInte nödvändigt 15 000-20 000 cykler
20 000 cykler (20 års livslängd) 25 mm 2,0 mm Polerad Krävs för alla svetsar 20 000-25 000 cykler
20 000 cykler (livslängd 20 år) 25 mm 2,5 mm Som ritat Krävs ej 25 000-30 000 cykler
Högvibrerande plattform (lägger till mekanisk cyklisk belastning) Lägg till 0,5 mm till över Eventuella polerade behov Minska förväntade cykler med 20-30 %
Rekommendationer för 10 000-cykelservice
Designkravet för uppvärmning av 95/5 vatten-glykol brandbeständig vätska vid 80oC för hydrauliska system för offshoreplattformar är 10 000 termiska cykler (cirka 10 år vid 3 cykler per dag). För ett titanrör av grad 2, polerad ytfinish och spänningsavlastade svetsar är den minsta väggtjockleken 1,65 mm (BWG 14) . Alternativt ger en 2,0 mm väggbetad yta utan stressavlastning motsvarande eller överlägsen utmattningslivslängd. Rekommenderad specifikation:

Material: ASTM B338 Seamless Tube, Titanium Grade 2

Väggtjocklek: min. 1,65 mm (BWG 14)

Ytterdiameter: 25 mm (eller efter behov för värmaredesign)

Ytfinish: Polerad Ra 0,4 µm max (invändigt och utvändigt)

Svetsar (om sådana finns): Full penetration GTAW med spänningsavlastningsglödgning vid 540 grader i 1 timme

Rörböjar: Min böjradie 3x OD, dornböjar för att förhindra försvagning av väggen

För nyinstallationer där vikt inte är ett problem ger 2,0 mm vägg en viss extra marginal och eliminerar kravet på avspänning, vilket gör den lättare att tillverka. Om pinhole-läckor uppstår på nuvarande värmare efter 5 000-7 000 cykler, är en direkt ersättning för 1,2 mm eller 1,65 mm som-dragna rör 1,65 mm polerade rör med spänningsavlastade svetsar.

För hydraulsystem med mer än 3 cykler/dag (t.ex. plattformar med snabb pumpcykling för tryckkontroll) öka väggtjockleken i enlighet därmed: för 5 cykler/dag (18 000 cykler över 10 år) specificera minst 2,0 mm vägg. Kräv dokumentation av ytfinish (Ra-mått) vid köp. Kräv certifiering av avspänningsglödgning med tid{10}}temperaturdiagram för svetsade produkter. Med rätt väggtjocklek och yttillstånd kommer titanslangar av grad 2 att överleva 10 000 termiska cykler utan läckage av hål i offshore-plattformens hydrauliska värmare.