В потопяем-кладенец титанов нагревател, изпомпващ 15 000 ppm хлоридна вода при 70 градуса, как честотата на пускане/спиране на помпата (6 пъти/ден срещу . 2 пъти/ден) влияе върху живота на умора на заварката на фланеца?

Потопяеми титаниеви нагреватели с дълбоки кладенци изпитват циклични механични натоварвания поради стартиране и спиране на помпата. Помпата стартира внезапно и 15 000 ppm хлоридна вода при 70 градуса изтича внезапно, причинявайки повишаване на налягането с воден удар. Когато помпата спре, потокът спира и налягането осцилира и може да се обърне. Тези цикли на налягане причиняват циклични напрежения в заваръчния шев на фланеца, връзката между нагревателя и главата на помпата или нагнетателната тръба. Кривата S-N свързва амплитудата на напрежението с броя на циклите до повреда и животът на умора на заваръчния шев се дава от тази крива S-N. Повишената честота на стартиране/спиране на помпата (6 пъти на ден срещу . 2 пъти на ден) съответно увеличава броя на циклите на година и намалява живота на умора. Образуването на пукнатини от умора се ускорява при 70 градуса в корозивна хлоридна среда и животът е допълнително намален в сравнение с прясна вода.

Корозионна умора на фланцовия шев в механизъм с хлоридна вода

Заваръчният шев на фланеца е област на остатъчно напрежение на опън, микроструктурна хетерогенност и концентрация на напрежение. Всеки цикъл на стартиране/спиране на помпата предизвиква амплитуда на напрежение (Δσ) върху заваръчния шев, обикновено в диапазона 20–50 MPa, поради скокове на налягането при воден удар. Цикличното опъване локално разрушава пасивния филм върху заваръчния шев в 15 000 ppm хлоридна вода при 70 градуса. Оголеният метал се атакува от хлоридни йони и се появяват пукнатини по заваръчните краища. Всеки цикъл разширява пукнатината с 0,1-1 um. Скоростта на нарастване на пукнатината се дава от Парижкия закон като: da/dN=C(DeltaK) m Където DeltaK е диапазонът на коефициента на интензитет на напрежението. Коефициентът C се увеличава 2–5 пъти в сравнение с условията на въздух или прясна вода поради корозия.

Количественият живот на умора като функция на скоростта на старт/стоп

Издръжливостта на умора е определена за типична фланцова заварка от клас 2 на титан (диаметър 20 mm, дебелина на стената 1,5 mm) с фактор на концентрация на напрежение K t=3 и скок на налягането от 5 бара (Δσ ≈ 45 MPa при върха на заварката). Животът на умора за честота на стартиране/спиране от 2 пъти на ден (730 цикъла на година) е 500 000 до 1 000 000 цикъла, или 685 до 1370 години, без ограничение. При 6 пъти на ден (2190 цикъла годишно) животът на умора е 400 000 до 800 000 цикъла, или 180 до 365 години, все още безопасен за практически приложения. Издръжливостта на умора намалява до 200 000 до 500 000 цикъла при 30 на ден (10 950 цикъла на година) или 18 до 45 години, което е приемливо за повечето приложения. При скорост от 120 на ден (43 800 на година или приблизително на всеки 12 минути) Животът на умора е 80 000 до 200 000 цикъла или 2 до 5 години и има възможност за отказ от умора. При 500 пъти на ден (182 500 цикъла годишно, приблизително на всеки 3 минути) животът на умората пада под 50 000 цикъла, което е по-малко от 3 месеца и е неприемливо.

Ефекти на концентрацията на хлорид и температурата върху намаляването на живота при умора

The corrosion fatigue life decrease factor is dependent on chloride concentration and temperature. The fatigue life at 2 cycles per day is >2,000 years and at 6 cycles per day is >1000 години в прясна вода при 70 градуса с 0 ppm хлорид. Коефициент на намаляване на живота=1.0. 15,000 ppm хлорид 70ºC Живот на умора при 2 цикъла на ден 500 - 1,000 години Живот на умора при 6 цикъла на ден 180 - 365 години Фактор на редукция ~ 0,5 При 70 градуса в 30 000 ppm хлорид животът на умора е 300-600 години при 2 цикъла на ден и 100-200 години при 6 цикъла на ден. Коефициентът на намаление е 0,3. Животът на умора при 2 цикъла на ден е 200-400 години, а при 6 цикъла на ден е 70-150 години в 15 000 ppm хлорид при 90 °C с коефициент на редукция 0,25.

Наръчник за управление на честотата на стартиране/спиране и умората

Таблицата по-долу показва препоръчителните максимални честоти на стартиране/спиране за дълбок{0}}потопяеми титаниеви нагреватели, работещи в 15 000 ppm хлоридна вода при 70 градуса, въз основа на очаквания експлоатационен живот и прилагането на методи за намаляване на умората.

Желан експлоатационен живот (години) Концентрация на хлорид (ppm) Максимална препоръчителна честота на стартиране/спиране (цикли/ден) Необходими смекчаващи мерки Очакван марж на умора
20 <5,000 100 2× None 20 15,000 20 2× Soft-start controller 10 15,000 50 2× Soft-start + weld stress relief
10 30,000 15 2× плавен-старт + титан клас 7
5 15,000 80 2× Плавен старт + годишна проверка
5 30,000 25 2× степен 7 + стрес-облекчен
Честотен контрол за отвъд старт/стоп инженерство

Качеството на титана ще повлияе на устойчивостта на умора в корозивни среди. Степен 7 е подобна на степен 2 по отношение на якостта на умора, но има по-добра устойчивост на корозия и по този начин намаляване на коефициента на ускоряване на корозионната умора с 30–50%. Качеството на заварката е от решаващо значение. Гладка, шлифована преходна заварка има коефициент на концентрация на напрежението K t от 1,5-2 срещу 3-5 за -заварено съединение. Чрез увеличаване на дебелината на стената от 1,5 mm на 2,5 mm амплитудата на напрежението за идентичния удар на налягането се намалява с 30%. Отгряването за освобождаване на напрежението след заваряване при 540 градуса за 30 минути минимизира остатъчните напрежения и удвоява живота на умора. Контролерът на помпата с плавен старт намалява скоковете на налягането при воден удар с 50-70%.

Създаване на интелигентна спецификация

Проектирайте система за управление на помпата за потопяем нагревател от титанов дълбок кладенец в 15000 ppm хлоридна вода при 70 градуса C, за да ограничите честотата на стартиране/спиране до 6 цикъла на ден или по-малко. За приложения, които се нуждаят от по-чести цикли, посочете контролер за плавен старт, за да намалите ударите на налягането. Всички фланцови заварки трябва да бъдат шлифовани до височина на армировката по-малка от 0,1 mm и напрежението да бъде освободено при 540 градуса за 30 минути в аргонова среда. Модернизирайте съществуващите нагреватели с висока циклична честота със задвижване с променлива честота, за да увеличите постепенно скоростта на помпата. Проверявайте заваръчния шев на фланеца с пенетрант за багрило веднъж годишно. Ако забележите индикация за пукнатини, незабавно сменете нагревателя. Инженерът управлява честотата на стартиране/спиране на помпата и качеството на заваръчния шев, за да предотврати умората от корозия да ограничи експлоатационния живот на фланцовите шевове на титаниевия нагревател при високо-хлоридни подземни води.