Welke veiligheidsfactor (2,0 versus 3,0) is geschikt bij het berekenen van de barstdruk van een titaniumverwarmer voor een hydraulisch besturingssysteem?
Laat een bericht achter
Wanneer een waterbouwkundige een titaniumverwarmer ontwerpt voor een hydraulisch hogedrukregelsysteem-, zoals die in vliegtuigactuatoren, onderzeese apparatuur of zware machines, moet de berekening van de barstdruk een veiligheidsfactor (SF) omvatten om rekening te houden met variaties in materiaal, fabricagefouten en serviceomstandigheden. De barstdruk (P burst) van een dun-wandige titaniumbuis wordt gegeven door P burst=SF(2σ ult t/D), waarbij σ ult de ultieme treksterkte is (graad 2: 345 MPa), t de wanddikte is en D de buitendiameter is. Voor niet-kritieke systemen die regelmatig worden geïnspecteerd, geeft het kiezen van SF=2.0 u een barstdruk die tweemaal de maximale bedrijfsdruk is. Voor veiligheidskritieke systemen of systemen met trillingen, drukpieken of corrosieve omstandigheden is de drievoudige buffer noodzakelijk. Als u SF=3.0 kiest, is dit mogelijk. De geschikte SF is afhankelijk van de gevolgen van een storing en de werkomgeving.
Keuze van veiligheidsfactoren voor titanium drukcomponenten
De veiligheidsfactor voor de barstdruk omvat zes factoren die niet zijn opgenomen in de eenvoudige berekening van de ringspanning: 1) variatie in de wanddikte van de buis (meestal +/- 5-10% van de nominale waarde), 2) ovaliteit (niet-van-rondheid vermindert de barstdruk met 10-25%), 3) oppervlaktedefecten (krassen verminderen de lokale sterkte met 20-50%), 4) temperatuurvermindering (sterkte neemt af 10-20% bij 100 graden versus kamertemperatuur), 5) vermoeidheid (cyclische druk vermindert de levensduur), en 6) corrosietolerantie (wandverdunning in de loop van de tijd). Met een veiligheidsfactor van 2,0 (normaal voor niet-kritieke hydraulische systemen) ga je ervan uit dat deze variabelen goed geregeld zijn en dat het systeem routinematig wordt geïnspecteerd. Een veiligheidsfactor van 3,0 (zoals gebruikelijk voor drukvaten volgens ASME Sectie VIII) gaat uit van de worst-case combinatie van alle factoren en geen toegang voor inspectie.
SF=2.0 versus SF=3.0 barstdrukkwantificatie voor typische buismaten
Buitendiameter buis (mm)|Wanddikte (mm)|Maximale bedrijfsdruk (bar) bij SF=2.0|Maximale werkdruk (bar) bij SF=3.0 |Aanbevolen toepassing 12.7 1.0 108 72 Lage druk, niet-kritisch 12.7 1.5 163 108 Gematigde druk
16.0 1.5 130 86 Algemeen hydraulisch 16.0 2.0 173 115 Hogere druk 20.0 1.5 104 69 Middelmatige druk, grotere stroom
20.0 2.0 138 92 Algemeen industrieel 20.0 2.5 173 115 Hoge-druk hydraulisch 25.4 2.0 109 73 Onderzeese gematigde druk
25.4 2.5 136 91 Diep onderzees, SF=3.0 25.4 3.0 163 109 Onderzees, SF=3.0 noodzakelijk
Gids voor het kiezen van een veiligheidsfactor op basis van een scenario
Toepassing en gevolgen van falenTypische werkdruk (bar)Aanbevolen SF-redenering
Hydraulische lijnverwarming van vliegtuig (veiligheid cruciaal) 210-350 3.0-4.0 Een storing veroorzaakt verlies van controle. Moet een hoge SF hebben.
Onderzees controlesysteem (1500 m diepte, 150 bar extern) 200 (intern) 3,0 Externe druk kan instorting veroorzaken. 3.0 minimaal API 17E SF=
Industriële hydraulische pers (niet-kritisch) 150-250 2.0 Periodieke inspectie. Falen leidt tot stilstand en niet tot veiligheidsrisico's.
Hydraulische verwarming van landbouwmachines 100-200 2.0 Matig gevolg. SF=2.0-criteria.
Mobiele machines (graafmachine, lader) 200-300 2.5 Trillings- en schokbelastingen hebben tussenliggende SF nodig.
Verwarming proefbank (intermitterend, bewaakt) Maximaal 400 2.0 Onmiddellijke uitschakeling onder toezicht als er een lek wordt gedetecteerd.
Hydraulisch zeewatersysteem (corrosief) 100-150 3.0 Corrosietoeslag vereist. SF=3.0 was te wijten aan het dunner worden van de muren.
High-cycle hydraulic system (>1 miljoen cycli/jaar)Elke 3.0+ vermoeidheidsanalyse SF=3.0 is niet goed voor zware cycli. Vermoeiingsberekening van S-N-curve vereist.
Technische factoren nemen toe Vereiste veiligheidsfactor
Verhoog de veiligheidsfactor naar 3,0 of hoger als een van de volgende situaties zich voordoet. Gelaste buis (aanbevolen voor hydraulisch gebruik) vermindert de barstdruk met 20-40% bij de lasnaad. Vanwege de vermindering van de sterkte van het titanium met 10-20% boven een bedrijfstemperatuur van 80°C, moet de SF worden aangepast op basis van de temperatuurreductiefactor. Drukwisselingen (meer dan 10.000 cycli/jaar) vereisen een vermoeiingsanalyse. SF=3.0 is misschien niet genoeg. In een corrosieve omgeving (zeewater, zuren) wordt de wand na verloop van tijd dunner en moet de SF rekening houden met de verwachte achteruitgang. Bij dynamische barstberekeningen moet rekening worden gehouden met extra spanningen als gevolg van trillingen en mechanische schokken. Voor elke combinatie van deze parameters wordt een ontwerpbeoordeling met volledige eindige-elementenanalyse (FEA) en voorspelling van de levensduur van vermoeiing aanbevolen, in plaats van alleen op de veiligheidsfactor te vertrouwen.
Conclusie: SF=3.0 voor veiligheid-cruciaal, SF=2.0 voor hydraulisch onderhoud niet-cruciaal
Een veiligheidsfactor van 2,0 is ideaal voor niet-kritieke toepassingen waarbij een defect aan de verwarming slechts tot stilstand zou leiden en het hydraulische besturingssysteem routinematig wordt gecontroleerd, bijvoorbeeld de barstdruk van een titanium verwarmer in een hydraulisch besturingssysteem. Veiligheidsfactor van 3,0 nodig voor veiligheid-kritische (vliegtuigen, onderzeeërs, hoge-druk) of corrosieve omstandigheden, trillingen of drukwisselingen. Er is een groot verschil in werkdruk tussen SF=2.0 en SF=3.0. Een titanium buis met een diameter van 20 mm x 2,0 mm kan bijvoorbeeld worden gebruikt bij 138 bar met SF=2.0, maar alleen bij 92 bar met SF=3.0, een verschil van 33%. Bij het specificeren van een titaniumverwarmer voor welke hydraulische toepassing dan ook, moeten de maximale bedrijfsdruk, bedrijfstemperatuur, cyclische belasting en de gevolgen van falen aan de leverancier worden verstrekt, zodat de juiste veiligheidsfactor kan worden geselecteerd en de juiste wanddikte kan worden gespecificeerd om aan de veiligheids- en prestatie-eisen te voldoen.
