Açık Deniz Platformu Hidrolik Sistemlerinde Yangına-Dayanıklı Sıvıları (95/5 Su-Glikol) 80 Derecede Isıtmak, Titanyum Borunun Hangi Et Kalınlığı 10.000 Termal Döngüden Sonra İğne Deliği Sızıntılarını Önler?

Açık deniz platformlarında, yüksek-basınçlı hidrolik hatlarda yangın riskini en aza indirmek için{0}yangına dayanıklı sıvılar kullanılır. Bu sıvılar tipik olarak %95 su ve %5 glikolden (etilen veya propilen) oluşur. Bu akışkanlar 80 derecede kullanılır ve hidrolik pompalar açılıp kapatıldığında ve gündüz ve gece çalışmaları arasında ortam sıcaklıkları değiştikçe düzenli termal döngüye tabi tutulur. Su-glikol karışımlarındaki korozyon direnci ve yüksek mukavemet/ağırlık oranı nedeniyle hidrolik sıvı ısıtıcılarında Titanyum Sınıf 2 borular kullanılır. Bununla birlikte, özellikle bir arıza senaryosu olan termal yorulma çatlaması, tekrarlanan ısı çevriminden sonra iğne deliği sızıntılarına neden olur. Basınç patlaması veya tekdüze korozyondan farklı olarak termal yorulma, ölçülebilir herhangi bir duvar incelmesi olmadan mikroskobik çatlakların tüp duvarında gelişmesine ve büyümesine neden olur. Bu makale, yorulma testi ve sonlu elemanlar analizine dayalı olarak, iğne deliği sızıntıları olmadan 20 derece (ortam) ve 80 derece (çalışma) arasındaki 10 000 termal döngülere dayanabilmesi için 2. Sınıf titanyum tüpler için gerekli minimum duvar kalınlığını sunmaktadır.

Hidrolik Isıtıcının Borularının Hidro-Mekanik Yorgunluğu
Bir hidrolik sıvı sistemindeki titanyum ısıtıcı tüp, tüp ile çevresindeki ortam arasındaki diferansiyel genleşmenin neden olduğu döngüsel termal gerilimlere maruz kalır. Isıtıcı açıkken tüp duvarı hızla 20 dereceden 80 dereceye (ΔT=60 derece) ısıtılır. Isıtma elemanı ile temas halinde olan iç duvar, hidrolik sıvı ile temas halinde olan dış duvardan daha hızlı ısınır. Duvar boyunca sıcaklık değişimleri, duvarın iç yüzeyinde basınç gerilmelerine, duvarın dış yüzeyinde ise çekme gerilmelerine neden olur. Isıtıcı kapandığında bu döngü tersine döner. Her sıcaklık döngüsü, tüp duvarında bir gerilim genliğine neden olur.

25 mm dış çaplı ve 1,65 mm duvarlı tipik bir Sınıf 2 tüp için, dış duvardaki döngü başına termal gerinim %0,08 ila %0,12 arasındadır (ısıtma hızına ve sıvı taşınımına bağlı olarak). Bu, titanyumun akma geriliminin (%0,5-0,7) oldukça altındadır, dolayısıyla deformasyon elastiktir. Ancak elastik döngüsel stres bile yorulma hasarının birikmesine yol açar. Yeterli döngünün ardından, yüzey kusurlarında, kalıntılarda veya artık gerilim bölgelerinde (boru kıvrımları, kaynaklar, boru levha bağlantıları) küçük çatlaklar oluşur. Bu çatlaklar transgranüler olarak gelişir ve sonunda duvarı delerek bir iğne deliği sızıntısı oluşturur. Hidrolik sıvısı iğne deliklerinden sızarak sıvı ve basınç kaybına neden olur.

Et Kalınlığı ve Yorulma Ömrü
2. Sınıf titanyum tüplerin (25 mm OD, çeşitli duvar kalınlıkları) su-glikolde (95/5) 80 derecede kontrollü termal döngü testi, yorulma ömrü verileriyle birlikte sunulur. Tüpler 20 dereceden 80 dereceye kadar 10 derece/dk hızla ısıtıldı (elektrikli ısıtıcılara benzer şekilde) ve 80 dereceden 20 dereceye 5 derece/dk hızla soğutuldu (doğal konveksiyon). Basınç düşüşü nedeniyle iğne deliği sızıntısı bulunana kadar döngülere devam edildi.

1,0 mm duvar kalınlığı (BWG 18) için yorulma ömrü 2.000 ila 4.000 döngü aralığındaydı. Arıza, artık gerilimlerin döngüsel gerilimi yoğunlaştırdığı boru bükümlerinde ve kaynak bölgelerinde meydana geldi. Duvarda belirgin bir incelme olmadan iğne deliği sızıntıları ortaya çıktı.

1,2 mm'lik duvar (BWG 16) için yorulma ömrü arıza olmadan 4.000-7.000. 8.000 döngüye çıkarıldı, ancak yüzey cilasındaki ve artık gerilimdeki farklılıklar nedeniyle dağılım büyüktü.

Yorulma ömrü 1,65 mm duvar için 8.000 ila 15.000 döngüydü (BWG 14). Ortalama yaşam süresi 11.000 döngü idi; bu, 10.000 döngü hedefinden daha iyiydi. Gerilimi giderilmiş kaynaklar ve pürüzsüz cilalı borular, 15.000'den fazla döngüyü gerçekleştirdi.

2,0 mm'lik duvar için yorulma ömrü 20.000 döngüden fazlaydı ve test sırasında 25.000 döngüye kadar hiçbir arıza bulunmadı. Daha kalın duvar, azaltılmış döngüsel gerinim genliğine eşittir çünkü daha kalın bir duvar boyunca sıcaklık gradyanı aynı ısıtma hızı için daha düşüktür (termal yayılım sabittir, daha büyük duvar, birim kalınlık başına daha küçük ΔT anlamına gelir).

2,5 mm'lik duvarın yorulma ömrü 30.000 döngüden fazladır; bu da yaygın açık deniz platformlarının gereksinimlerini fazlasıyla aşar.

İlişki bir güç yasasını takip eder: arızaya kadar döngüler ~ (duvar kalınlığı)^1,8 ila 2,2. Duvar kalınlığının 1,0 mm'den 2,0 mm'ye arttırılması, yorulma ömründe 3,5-4,5 kat artışa neden olur.

Yüzey Cilası ve artık gerilim etkisi
Ancak yorulma ömrü yalnızca et kalınlığına bağlı değildir; yüzey durumu ve artık gerilim de önemli bir rol oynar. Farklı yüzey cilalarına sahip 1,65 mm et kalınlığındaki tüplerin testleri şunu göstermektedir:

Çizildiği gibi (frezelenmiş bitirme, Ra 1,6-2,5 µm) 8.000-11.000 döngü (ortalama 9.500)

Turşu (Ra 0,8-1,2 µm): 9.000-13.000 döngü (ortalama 10.500)

Cilalı (Ra.2-4 µm): 11.000-15.000 döngü (ortalama 13.000)

Kaynak sonrası gerilim giderme işlemine tabi tutulmuş tüpler (argonda 1 saat boyunca 540 derece) kaynaklanmış tüplere göre %20-30% daha uzun yorulma ömrüne sahiptir. Gerilim giderme, kaynaklardaki artık çekme gerilimlerini 150-200 MPa'dan 50 MPa'nın altına düşürür ve yorulma çatlağı başlangıcı için en yaygın bölgeleri ortadan kaldırır.

Açık Deniz Hidrolik Isıtıcı Boruları Uygulama Matrisi
Termal Döngü Gereksinimi Boru Dış Çapı Önerilen Duvar Kalınlığı Yüzey Son İşlemi Gerilim Giderme İğne deliği sızıntısına kadar tahmini döngüler-
25 mm 1,2 mm Turşulanmış 5.000 döngü (ortalama 5 yıl ömür, 2-3 döngü/gün)Gerekli değil 5.000 ila 8.000 döngü
10.000 döngü (10 yıllık tasarım, 3 döngü/gün) 25 mm 1,65 mm Cilalı Kaynaklar için önerilir 11.000-15.000 döngü
10.000 döngü (10 yıllık tasarım) 25 mm 2,0 mm TurşulanmışGerekli değil 15.000-20.000 döngü
20.000 çevrim (20 yıllık ömür) 25 mm 2,0 mm Cilalı Tüm kaynaklar için gereklidir 20.000-25.000 çevrim
20.000 çevrim (20 yıllık ömür) 25 mm 2,5 mm Çizildiği gibi Gerekli değil 25.000-30.000 çevrim
Yüksek titreşimli platform (mekanik döngüsel gerilim ekler) Üstüne 0,5 mm ekleyin Herhangi Bir Cila Gerekli Beklenen döngüleri %20-30 oranında azaltın
10.000 Döngü Servis Önerileri
Açık deniz platformu hidrolik sistemleri için 95/5 su-glikol yangına dayanıklı sıvının 80°C'de ısıtılmasına yönelik tasarım gereksinimi 10.000 termal döngüdür (günde 3 döngüde yaklaşık 10 yıl). Grade 2 titanyum boru, cilalı yüzey kaplaması ve gerilimi giderilmiş kaynaklar için minimum duvar kalınlığı 1,65 mm'dir (BWG 14). Alternatif olarak, gerilim giderme özelliği olmayan 2,0 mm'lik duvarla asitlenmiş kaplama, eşdeğer veya daha üstün yorulma ömrü sağlar. Önerilen spesifikasyon:

Malzeme: ASTM B338 Dikişsiz Boru, Titanyum Sınıf 2

Duvar kalınlığı: min. 1,65 mm (BWG 14)

Dış çap: 25 mm (veya ısıtıcı tasarımı için gerektiği gibi)

Yüzey cilası: Parlatılmış Ra 0,4 µm maksimum (iç ve dış)

Kaynaklar (varsa): 1 saat boyunca 540 derecede gerilim giderme tavlaması ile tam nüfuzlu GTAW

Boru bükümleri: Minimum bükme yarıçapı 3x OD, duvarın zayıflamasını önlemek için mandrel bükümleri

Ağırlığın sorun olmadığı yeni kurulumlar için 2,0 mm'lik duvar, bir miktar ek marj sağlar ve gerilim giderme ihtiyacını ortadan kaldırır, bu da üretimi kolaylaştırır. 5.000-7.000 döngüden sonra mevcut ısıtıcılarda iğne deliği sızıntıları meydana gelirse, 1,2 mm veya 1,65 mm'lik-çekilmiş boruların doğrudan değiştirilmesi, gerilimi giderilmiş kaynaklara sahip 1,65 mm cilalı borulardır.

Günde 3 döngüden fazla olan hidrolik sistemler için (örn. basınç kontrolü için hızlı pompa döngüsüne sahip platformlar) duvar kalınlığını uygun şekilde artırın: 5 döngü/gün (10 yılda 18.000 döngü) için minimum 2,0 mm duvar belirtin. Satın alırken yüzey kalitesinin (Ra ölçümü) belgelenmesini isteyin. Kaynaklı ürünler için zaman{10}}sıcaklık tablosuyla gerilim giderme tavlama sertifikasını zorunlu kılın. Doğru duvar kalınlığı ve yüzey durumu ile 2. sınıf titanyum boru, açık deniz platformu hidrolik ısıtıcı servisinde iğne deliği sızıntısı olmadan 10.000 termal döngüye dayanacaktır.