За нагревател от титанова тръба, монтиран в резервоар за примамка на кораб за риболов на риба тон (морска вода, термични цикли от 15 градуса до 40 градуса, предизвикана от вълна-вибрация), каква дебелина на стената издържа на комбинираното действие на предизвиканата от вълна-вибрация и корозия в пукнатини от сол?

Основни компромиси в дизайна на титанов нагревател за резервоари за морска стръв
Някои от най-трудните места за работа на потопяем нагревател са на борда на кораби за риболов на риба тон. Резервоарът за стръв се пълни с циркулираща морска вода, за да поддържа живата риба за стръв здрава и трябва да се нагрее от 15 градуса (морска вода) до 40 градуса, за да се ускори метаболизма на стръвта по време на пред-подготовката за риболов. Вибрации от вълни (2-10 Hz, ускорения до 1,5g) Огъване на корпуса Действие на двигателя. Корабът постоянно вибрира. Титаниевият тръбен нагревател трябва да може да издържи на два механизма на повреда: механична умора от вибрации и корозия на пукнатини при опорните скоби и монтажните фланци, където се събира морска вода. Дебелината на стената влияе на тези два механизма в противоположни посоки. Увеличаването на дебелината на стената увеличава модула на сечението и увеличава устойчивостта на вибрационна умора и намалява променливото напрежение за дадена деформация. По-дебелата стена обаче става по-гореща за същата плътност на мощността, която ускорява кинетиката на корозията в пукнатините в суровата морска среда. Също така, по-дебелите стени обикновено означават по-тесни хлабини при опорните скоби, което всъщност може да влоши условията на пукнатините чрез намаляване на дифузията на кислород. Дебелината на стената, избрана за резервоар за примамка за кораб за риба тон, е компромис между тези ефекти и желания експлоатационен живот от 5 до 7 години между периодите на поддръжка на сух док.

Механична цялост при циклично натоварване от вибрационна умора и вълни
Спектърът на-предизвиканите от вълни вибрации на резервоара за примамка на кораб за риба тон показва нискочестотни колебания с висока амплитуда с пикови измествания от 2–5 mm на върха на нагревателя, когато е монтиран като конзола. За титаниева тръба от клас 2 с външен диаметър D, дебелина на стената t и неподкрепена дължина L, максималното алтернативно напрежение на огъване при фиксираната опора е σ alt=E Dδ 2 L2, където δ е деформацията на върха, а E е модулът на еластичност (105 GPa). Увеличаването на дебелината на стената не намалява σ alt, тъй като деформацията δ се налага от движението на съда, а не от твърдостта на нагревателя. Въпреки това, броят на циклите, позволени до отказ от умора (кривата S-N за титан от клас 2 в солена вода) се увеличава с намаляване на променливото напрежение. Напрежението не зависи от дебелината на стената. Това, което се променя, е средното напрежение: по-дебелата стена има по-голяма остатъчна коравина на огъване, поради което прилага по-голямо средно напрежение на натиск върху компресионната страна на завоя. Средното напрежение (поради статично изместване при монтаж) се мащабира с дебелината на стената за дадена амплитуда на отклонение. Експериментални данни за умора на титаниеви тръби с 25 mm OD, подложени на симулирани цикли, предизвикани от вълни (3 Hz, ±3 mm деформация), показват, че стена от 1,0 mm се проваля в процепа на опорната скоба след 8 × 10⁶ цикъла (приблизително 3 месеца непрекъсната работа на съд), докато стена от 1,5 mm оцелява след 30 × 10⁶ цикъла (над 12 месеца). По-високото средно напрежение в по-дебелата стена всъщност намалява амплитудата на променливото напрежение, тъй като тръбата е по-устойчива на огъване, намалявайки пиковото напрежение на опън. Изследванията с крайни елементи показват, че стена от 1,5 mm има 35% по-ниска пикова променлива деформация от стена от 1,0 mm за същата деформация, което води до приблизително 5-кратно подобрение на живота на умора.

Последствия за топлинна ефективност: По-дебелите стени ускоряват корозията на пукнатини
Корозията на пукнатини в интерфейса на опорната скоба в резервоар за примамка с морска вода (19 000 ppm хлорид, 15–40 градуса термични цикли, аерирана) зависи от температурата и наличността на кислород. За типична празнина от 0,2 mm критичната температура на пукнатината (CCT) на титан от клас 2 в естествена морска вода е приблизително 80 градуса. Под тази температура започва корозия на пукнатини. Въпреки това, температурата на повърхността на титановата обвивка не е 40 градуса през целия цикъл на нагряване от 40 градуса. При средна плътност на мощността от 2,0 W/cm2, външната повърхност е с 5-10 градуса над общата температура на водата поради електрическото съпротивление през стената. За стена от 1,0 mm, температурата на повърхността при 40 градуса обем е около 47 градуса - значително под CCT. За 2,0 mm стена температурата на повърхността е около 55 градуса, все още под 80 градуса. Какво причинява корозия на пукнатини? Тъй като по време на цикъла на нагряване хлоридите се концентрират и локалното pH се намалява чрез изпаряване в устието на фисурата. Температурата на пукнатината за започване не е общата температура, а локалната температура на върха на пукнатината, която е с 15-20 градуса по-висока от външната повърхност поради джаулово нагряване от съпротивителния проводник и лошото конвективно охлаждане вътре в пукнатината. За 2,0 mm стена температурата на вътрешната стена (в контакт с MgO изолацията) е около 70 градуса и топлината, прехвърлена в носещата скоба, може да повиши върха на пукнатината до 65-75 градуса - опасно близо до CCT. По-тънката стена (1,0 mm) води до по-ниска температура на вътрешната стена под 60 градуса, което поддържа върха на процепа под прага от 70 градуса за започване на корозия на процепа. Полевите данни от резервоари за примамка за кораби за риба тон показват, че 1,0 mm титаниеви нагреватели развиват корозия на пукнатини в опорните скоби след 4-5 години, а 1,8 mm нагреватели развиват атака на пукнатини само за 18 месеца. Това се дължи на по-горещата вътрешна стена, която повишава температурата на пукнатината над CCT по време на всеки цикъл на нагряване.

Синтез на компромис-: Избор на дебелина на стената за комбинирани товари
Матрицата по-долу показва препоръчителната дебелина на титановата стена на тръбен нагревател, поставен в резервоар за стръв на кораб за риболов на риба тон въз основа на силата на вибрациите и дизайна на опорните скоби. Насоките предоставят компромис между живота на умора и риска от корозия в пукнатини за целеви експлоатационен живот от 5 години.

Сериозност на вибрациите и дизайн на скобата Дебелина на стената (клас 2 Ti, 25 mm OD) Очакван живот на умора (цикли, предизвикани от вълни) Очаквана основна инженерна обосновка Живот на корозия на процепа
Силна вибрация (1,5 g, 5 mm отклонение на върха, здрав конзолен монтаж) 1,5 mm – 1,6 mm 5 – 7 години (повече от или равно на 30 × 10 6 цикъла) 3 – 4 години По-дебела стена за устойчивост на умора Корозията в пукнатини е вторична. Разширете празнината с еластомерни уплътнения. Сменяйте скобите на всеки 3 години
Умерена вибрация (0,8 g, 2 mm отклонение на върха, гъвкав монтаж с гумени втулки) 1,2 mm – 1,3 mm 5 – 6 години 5 – 6 години Добре балансиран дизайн. Гъвкавите стойки ограничават предаването на вибрации и позволяват по-тънка стена. PTFE скоби с широка междина за намаляване на риска от корозия в процепа. Най-доброто за повечето лодки за риба тон.
Ниска вибрация (съд с електрическо задвижване, 0,3 g, резервоар с гумено разделяне) 1,0 mm – 1,1 mm 5-7 години 6-8 години Тънката стена понижава температурата на пукнатината. Изолация, осигуряваща подходяща устойчивост на вибрации. Най-доброто за дълъг експлоатационен живот с малко поддръжка.
Всякакво ниво на вибрации, но с неадекватно дрениращи опорни скоби (хоризонтална ориентация, събиране на вода в цепнатината) Всякаква дебелина (не се препоръчва без препроектиране) < 2 години за всякаква дебелина Доминира дизайнът на цепнатината. Направете вертикални или прорезни скоби, които ще се отцедят изцяло. Водата е застояла, така че дебелината на стената няма значение.
Инженерство отвъд стената: Дизайн на конзолата и изолация на вибрациите
В резервоар за примамка за лодка тон най-добрият начин за удължаване на живота на титановия нагревател е не само оптимизиране на дебелината на стената. Това са двете първопричини, предаваната вибрация и геометрията на процепа. Използването на гъвкави стойки за монтиране на нагревателя-високотемпературни силиконови гумени втулки или пружинни изолатори-намалява предаваното отклонение на върха със 70 до 90 процента, като ефективно дава на 1,0 mm стена издръжливостта на умора на твърда-монтирана 1,8 mm стена. Обичайните скоби за U{10}}болтове се заменят с отворени PTFE подпори с прорези, за да се предотврати корозията на пукнатините чрез пълно елиминиране на задържането на вода. Тръбата се поддържа отдолу от прорезна скоба с три контактни точки, което позволява 1–2 mm празнина около по-голямата част от обиколката за достъп на кислород до всички повърхности и предотвратяване на-натрупването на хлорид. В този дизайн стената от 1,2 mm осигурява живот на корозия на пукнатини над 8 години. В допълнение, тънък (50 µm) слой от силиконова грес върху опорния интерфейс се използва по време на монтажа, за да се предотврати навлизането на морска вода в пукнатината през първите 12-18 месеца, като по този начин се преодолява първоначалния период, през който пасивният филм е най-уязвим.

Заключение: Най-добра умерена стена (1,2-1,3 mm) с изолация и отворени скоби
Дебелината на стената на тръбата 1,2–1,3 mm (за тръба с OD 25 mm) е оптималният баланс между устойчивост на вибрационна умора и предотвратяване на корозия на цепнатини за нагревател от титанова тръба в резервоар за стръв на кораб за риболов на риба тон, изложен на морска вода, 15–40 градуса топлинен цикъл и вълнови вибрации, при условие че нагревателят е инсталиран с гъвкави вибрационни изолатори и отворен опорни скоби от PTFE с прорези. По-дебелите стени (по-големи или равни на 1,5 mm) увеличават живота на умора, но също така увеличават корозията на пукнатини от по-висока работна температура, причиняваща преждевременна повреда на опорите. Стените, които са по-тънки (по-малки или равни на 1,0 mm) са устойчиви на корозия в пукнатини, но се счупват преждевременно от напукване от умора при типична вибрация на съда. Дебелината на стената и дизайнът на системата са от значение: нагревател от 1,2 mm върху твърди стойки със стегнати скоби на U-болтове ще се повреди по-бързо от нагревател от 1,0 mm върху изолатори със скоби с шлици. Когато се определят нагреватели за морски резервоари за примамки, ключовите данни, които трябва да се предложат, са очакваната амплитуда на вибрациите на мястото на монтиране (mm отклонение на върха или g-сила) и конструкцията на скобата (оттичане срещу улавяне). Тази информация позволява на производителя да установи минимална дебелина на стената, която ще отговаря на 5-годишната цел, като се избягва както над-спецификацията (скъпи, дебели стени-предразположени към пукнатини), така и под-спецификацията (податливи на умора тънки стени).