В 90-градусова система за катодна защита на морска вода, титаниевите нагреватели са обект както на корозивна атака, така и на водородна крехкост. Заваръчният крак е област с висока концентрация на напрежение. Като-заварените съединения имат коефициент на концентрация на напрежение (SCF) от 3–5, докато полираните заварени краища намаляват SCF до под 1,2. По-високият SCF усилва напреженията на опън, насърчавайки водород-индуцираното напукване и започване на пукнатини от умора. Намаляването на SCF чрез полиране удължава експлоатационния живот с фактор 5. Подобрението се наблюдава както в титановата обвивка, така и в съпротивителната жица вътре.

Механизмът на влиянието на фактора за концентрация на напрежение върху живота при умора

В заварено съединение заваръчният пръст действа като прорез, който концентрира приложените и остатъчните напрежения. Ефективното напрежение при върха на заварката е σ_max=SCF × σ_nominal. За -заварено съединение с SCF=4, номинално напрежение от 50 MPa създава локално напрежение от 200 MPa, доближаващо се до границата на провлачване на титан от степен 2. За полирана връзка с SCF=1.2, същото номинално напрежение създава локално напрежение от само 60 MPa. В система за катодна защита водородните атоми се генерират на титановата повърхност. Напрежението на опън привлича водорода към зоната на максимално триаксиално напрежение при върха на заварката, където се утаяват хидриди и започват пукнатини. По-ниският SCF намалява движещата сила за натрупване на водород.

Количественият живот на умора като функция от състоянието на върха на заварката

Контролирано изпитване на циклично натоварване в 90-градусова морска вода с катодна защита при -0,85 V спрямо Ag/AgCl установи следните животи на умора за титанови заварени съединения от степен 2. За-заварено съединение с остър прорез (SCF 4–5), циклите до започване на пукнатини са 10 000–30 000, а животът спрямо -заварено е 1,0. За -заварено съединение със средна геометрия (SCF 3–4), циклите са 20 000–50 000, а относителният живот е 1,5. За шлифована гладка фуга (SCF 1,5–2), циклите са 50 000–150 000, а относителният живот е 3,0. За механично полирана връзка (SCF 1,2–1,5) циклите са 80 000–200 000, а относителният живот е 4,0. За електрополирано съединение с SCF под 1,2, циклите са 150 000–300 000, а относителният живот е 5–7 пъти по-голям от този в заварено състояние.

Влияние на потенциала за катодна защита върху SCF чувствителността

Ползата от полирането се увеличава, тъй като потенциалът на катодната защита става по-отрицателен (по-защитен). При -0,80 V спрямо Ag/AgCl животът като-заварен е 100 000–200 000 цикъла, полираният живот е 500 000–1 000 000 цикъла, а коефициентът на живот е 5. При -0,85 V животът като-заварен е 30 000–60 000 цикъла, полираният живот е 150 000–300 000 цикъла и съотношението остава 5. При -0,90 V животът след заваряване е 10 000–20 000 цикъла, полираният живот е 50 000–100 000 цикъла и съотношението е 5. -0,95 V, животът след заваряване е 5 000–10 000 цикъла, полираният живот е 25 000–50 000 цикъла и съотношението е 5. Постоянното подобрение 5 × показва, че полирането се отнася до основния механизъм за концентрация на напрежение, независимо от абсолютния живот.

Ръководство за довършване на заваръчните пръсти за услуга за катодна защита

Следващата таблица предоставя препоръки за завършване на заваръчните крака за титаниеви нагреватели в 90-градусови системи за катодна защита на морска вода, въз основа на изискванията за очаквания цикличен живот.

Инженерство отвъд довършването на пръстите на заварката

Степента на титан влияе на устойчивостта на умора независимо от SCF. Степен 7 има подобна SCF чувствителност, но по-висока присъща якост на умора поради обогатяване с паладий. Дебелината на стената влияе върху номиналното напрежение за дадено натоварване; стена от 2,0 mm има по-ниско напрежение от стена от 1,0 mm за същия момент на огъване. Формата на армировката на заваръчния шев има значение; плавен преход с радиус по-голям от 3 mm намалява SCF повече от смилането само по себе си. Отгряването за освобождаване на напрежението след заваряване при 540 градуса за 30 минути намалява остатъчните напрежения с 60–80%, като допълнително подобрява живота на умора. Потенциалът на катодна защита трябва да се контролира до -0,80 до -0,85 V, не по-отрицателен, за да се сведе до минимум отделянето на водород.

Създаване на информирана спецификация

For a titanium immersion heater in 90°C seawater cathodic protection service, specify that all weld toes be electropolished to achieve a stress concentration factor below 1.2. Require profilometer measurements to verify that the weld toe radius exceeds 3 mm. For existing heaters with as-welded joints, add a stress relief anneal and grind the weld toes smooth. During operation, inspect the weld area annually using dye penetrant; if cracks are detected, regrind and repolish. By reducing the stress concentration factor from >3 до<1.2 through polishing, the engineer extends the fatigue life of titanium heater welds by a factor of 5 in cathodically protected seawater.