Welke wanddikte van de titaniumbuis voorkomt gaatjeslekken na 10.000 thermische cycli in hydraulische systemen op offshore-platforms die brand{0}}brandbestendige vloeistoffen (95/5 water-glycol) verwarmen tot 80 graden?

Op offshore-platforms worden brand{0}}brandbestendige vloeistoffen gebruikt om het risico op brand in hoge- hydraulische leidingen te minimaliseren. Deze vloeistoffen bestaan ​​doorgaans uit 95% water en 5% glycol (ethyleen of propyleen). Deze vloeistoffen worden gebruikt bij een temperatuur van 80 graden en worden onderworpen aan regelmatige thermische cycli wanneer hydraulische pompen worden in- en uitgeschakeld en wanneer de omgevingstemperatuur verandert tussen dag- en nachtbedrijf. Buizen van titaniumklasse 2 worden gebruikt voor hydraulische vloeistofverwarmers vanwege hun corrosieweerstand in water-glycolmengsels en hun hoge sterkte/gewichtsverhouding. Eén faalscenario in het bijzonder, thermische vermoeiingsscheuren, resulteert echter in gaatjeslekken na herhaalde hittecycli. Thermische vermoeidheid zorgt er, in tegenstelling tot drukuitbarstingen of uniforme corrosie, voor dat microscopisch kleine scheuren ontstaan ​​die door de buiswand heen groeien zonder enige meetbare wandverdunning. Dit artikel presenteert de minimale wanddikte die nodig is voor klasse 2 titaniumbuizen om 10 000 thermische cycli tussen 20 graden (omgevingstemperatuur) en 80 graden (in bedrijf) te weerstaan ​​zonder gaatjeslekken, gebaseerd op vermoeiingstests en eindige-elementenanalyse.

Hydro-Mechanische vermoeiing van buizen van een hydraulische verwarmer
Een titanium verwarmingsbuis in een hydraulisch vloeistofsysteem is onderhevig aan cyclische thermische spanningen veroorzaakt door differentiële uitzetting tussen de buis en de omringende omgeving. Als de verwarming aanstaat, wordt de buiswand snel verwarmd van 20 graden naar 80 graden (ΔT=60 graden). De binnenwand die in contact komt met het verwarmingselement warmt sneller op dan de buitenwand die in contact komt met de hydraulische vloeistof. Temperatuurgradiënten over de muur veroorzaken drukspanningen op het binnenoppervlak van de muur en trekspanningen op het buitenoppervlak van de muur. Die cyclus keert om wanneer de verwarming wordt uitgeschakeld. Elke temperatuurcyclus induceert een spanningsamplitude op de buiswand.

Voor een typische klasse 2-buis, een buitendiameter van 25 mm en een wand van 1,65 mm, ligt de thermische spanning per cyclus aan de buitenwand tussen 0,08 en 0,12% (afhankelijk van de verwarmingssnelheid en de vloeistofconvectie). Dit ligt ruim onder de vloeigrens van titanium (0,5-0,7%), dus de vervorming is elastisch. Maar zelfs elastische cyclische spanning leidt tot accumulatie van vermoeidheidsschade. Na voldoende cycli ontstaan ​​kleine scheurtjes bij oppervlaktefouten, insluitsels of restspanningsgebieden (buisbochten, lassen, buisplaatverbindingen). Deze scheuren ontwikkelen zich transgranulair en perforeren uiteindelijk de muur om een ​​gaatje te vormen. Hydraulische vloeistof lekt door gaatjes, waardoor er vloeistof- en drukverlies ontstaat.

Wanddikte versus levensduur tegen vermoeidheid
Gecontroleerde thermische cyclustests van titaniumbuizen van klasse 2 (25 mm buitendiameter, verschillende wanddiktes) in water-glycol (95/5) bij 80 graden worden gepresenteerd met gegevens over de vermoeiingslevensduur. Buizen werden verwarmd van 20 naar 80 graden met een snelheid van 10 graden/min (vergelijkbaar met elektrische verwarmers) en gekoeld van 80 naar 20 graden met een snelheid van 5 graden/min (natuurlijke convectie). De cycli werden voortgezet totdat een gaatjelek werd ontdekt door drukverval.

Voor een wanddikte van 1,0 mm (BWG 18) lag de levensduur tegen vermoeiing in het bereik van 2.000 tot 4.000 cycli. Het falen deed zich voor bij buisbochten en laszones waar de restspanningen de cyclische spanning concentreerden. Er ontstonden gaatjeslekken zonder dat de muur zichtbaar dunner werd.

Voor de wand van 1,2 mm (BWG 16) werd de levensduur tegen vermoeiing verhoogd tot 4.000-7.000. 8.000 cycli zonder falen, maar de spreiding was groot als gevolg van variaties in de oppervlaktepolijsting en restspanning.

De vermoeiingslevensduur bedroeg 8.000 tot 15.000 cycli voor 1,65 mm wand (BWG 14). De gemiddelde levensduur was 11.000 cycli, beter dan het doel van 10.000 cycli. Dankzij spanningsarme lasnaden en gladgepolijste buizen zijn er meer dan 15.000 cycli mogelijk.

Voor een wand van 2,0 mm was de vermoeiingslevensduur groter dan 20.000 cycli en tijdens de tests werden tot 25.000 cycli geen fouten gevonden. De dikkere wand is gelijk aan een verminderde cyclische rekamplitude omdat de temperatuurgradiënt over een dikkere wand lager is bij dezelfde verwarmingssnelheid (thermische diffusiteit vast, grotere wand betekent kleinere ΔT per dikte-eenheid).

De levensduur van een wand van 2,5 mm bedraagt ​​meer dan 30.000 cycli, wat ruimschoots de eisen van gewone offshore-platforms overtreft.

De relatie volgt een machtswet: cycli tot falen ~ (wanddikte) ^ 1,8 tot 2,2. Het vergroten van de wanddikte van 1,0 mm naar 2,0 mm resulteert in een 3,5-4,5-voudige toename van de levensduur tegen vermoeiing.

Oppervlakteafwerking en invloed van restspanning
Maar de levensduur tegen vermoeiing is niet uitsluitend afhankelijk van de wanddikte; oppervlakteconditie en restspanning spelen ook een belangrijke rol. Tests van buizen met een wanddikte van 1,65 mm met variërende oppervlakteglans tonen het volgende aan:

Zoals-getekend (walsafwerking, Ra 1,6-2,5 µm) 8.000-11.000 cycli (mediaan 9.500)

Gebeitst (Ra 0,8-1,2 µm): 9.000-13.000 cycli (mediaan 10.500)

Gepolijst (Ra.2-4 µm): 11.000-15.000 cycli (mediaan 13.000)

Buizen die zijn behandeld met spanningsverlichting na het lassen (540 graden gedurende 1 uur in argon) hebben een levensduur tegen vermoeiing die 20-30% langer is dan gelaste buizen. De spanningsverlichting vermindert de resterende trekspanningen bij lassen van 150-200 MPa tot minder dan 50 MPa, waardoor de meest voorkomende plaatsen voor het ontstaan ​​van vermoeiingsscheuren worden verwijderd.

Toepassingsmatrix voor offshore hydraulische verwarmingsbuizen
Vereiste thermische cyclus Buitendiameter buis Aanbevolen wanddikte Oppervlakteafwerking Spanningsverlichting Geschatte cycli tot een gaatje-
25 mm 1,2 mm Gebeitst 5.000 cycli (gemiddelde levensduur 5 jaar, 2-3 cycli/dag) Niet vereist 5000 tot 8000 cycli
10.000 cycli (10 jaar ontwerp, 3 cycli/dag) 25 mm 1,65 mm Gepolijst Aanbevolen voor lassen 11.000-15.000 cycli
10.000 cycli (10 jaar ontwerp) 25 mm 2,0 mm GebeitstNiet nodig 15.000-20.000 cycli
20.000 cycli (levensduur 20 jaar) 25 mm 2,0 mm Gepolijst Vereist voor alle lassen 20.000-25.000 cycli
20.000 cycli (levensduur 20 jaar) 25 mm 2,5 mm Zoals getekend Niet vereist 25.000-30.000 cycli
Hoog trillingsplatform (voegt mechanische cyclische spanning toe) Voeg 0,5 mm toe aan meer Alle polijsten Vereist Verlaag de verwachte cycli met 20-30%
Aanbevelingen voor service na 10.000 cycli
De ontwerpvereiste voor het verwarmen van 95/5 water-glycol brandwerende vloeistof op 80oC voor hydraulische systemen op offshore platforms bedraagt ​​10.000 thermische cycli (ongeveer 10 jaar bij 3 cycli per dag). Voor een klasse 2 titaniumbuis, een gepolijste oppervlakteafwerking en spanningsarme lasnaden bedraagt ​​de minimale wanddikte 1,65 mm (BWG 14). Als alternatief biedt een gebeitste wandafwerking van 2,0 mm zonder spanningsverlichting een gelijkwaardige of superieure levensduur tegen vermoeiing. Aanbevolen specificatie:

Materiaal: ASTM B338 naadloze buis, titaniumkwaliteit 2

Wanddikte: min. 1,65 mm (BWG 14)

Buitendiameter: 25 mm (of zoals nodig voor verwarmingsontwerp)

Oppervlakteafwerking: gepolijst Ra 0,4 µm max (binnen en buiten)

Lassen (indien aanwezig): GTAW met volledige penetratie en spanningsontlating bij 540 graden gedurende 1 uur

Buisbochten: Min. buigradius 3x OD, doornbochten om verzwakking van de wand te voorkomen

Voor nieuwe installaties waarbij het gewicht geen probleem is, geeft een wand van 2,0 mm wat extra marge en elimineert de vereiste voor spanningsverlichting, waardoor de productie eenvoudiger wordt. Als er gaatjeslekken optreden bij huidige verwarmingstoestellen na 5.000-7.000 cycli, is een directe vervanging voor de getrokken buizen van 1,2 mm of 1,65 mm- 1,65 mm gepolijste buizen met spanningsarme lassen.

Voor hydraulische systemen met meer dan 3 cycli/dag (bijv. platforms met snelle pompwisselingen voor drukregeling) dient u de wanddikte dienovereenkomstig te vergroten: voor 5 cycli/dag (18.000 cycli over 10 jaar) specificeert u een wanddikte van minimaal 2,0 mm. Vereist documentatie van de oppervlakteafwerking (Ra-meting) bij aankoop. Vereist certificering van spanningsarmgloeien met tijd-temperatuurgrafiek voor gelaste producten. Met de juiste wanddikte en oppervlakteconditie zullen klasse 2 titaniumbuizen 10.000 thermische cycli overleven zonder gaatjeslekken bij hydraulische verwarming op offshore-platforms.