I en dyp-brønn nedsenkbar titanvarmer som pumper 15 000 ppm kloridvann ved 70 grader, hvordan påvirker pumpens start-/stoppfrekvens (6 ganger/dag vs.. 2 ganger/dag) utmattelsestiden til flenssveisingen?

Nedsenkbare titanvarmere med dype brønner opplever sykliske mekaniske belastninger på grunn av pumpestart og -stopp. Pumpen starter plutselig og kloridvannet på 15 000 ppm ved 70 grader strømmer plutselig og forårsaker en trykkøkning i vannhammeren. Når pumpen stopper, stopper strømmen og trykket svinger, og kan reversere. Disse trykksyklusene forårsaker sykliske belastninger i flenssveisingen, krysset mellom varmeren og pumpehodet eller utløpsrøret. S-N-kurven relaterer spenningsamplituden til antall sykluser til svikt og utmattingslevetiden til sveisen er gitt av denne S-N-kurven. Økt pumpestart/stoppfrekvens (6 ganger per dag vs.. 2 ganger per dag) øker antall sykluser per år tilsvarende og reduserer utmattelseslevetiden. Dannelsen av utmattelsessprekker akselereres ved 70 grader i et korrosivt kloridmiljø og levetiden reduseres ytterligere sammenlignet med ferskvannsforhold.

Korrosjonsutmatting av flenssveis i kloridvannmekanisme

Flensveisen er et område med gjenværende strekkspenning, mikrostrukturell heterogenitet og spenningskonsentrasjon. Hver pumpestart/stopp-syklus induserer en spenningsamplitude (Δσ) på sveisen, typisk i området 20–50 MPa, på grunn av vannslagstrykkstøt. Syklisk belastning ødelegger lokalt den passive filmen på sveisen i 15 000 ppm kloridvann ved 70 grader. Det eksponerte metallet angripes av kloridioner og det oppstår sprekker ved sveisetærne. Hver syklus forlenger sprekken med 0,1-1 um. Sprekkveksthastigheten er gitt av Paris-loven som: da/dN=C(DeltaK) m Der DeltaK er området for spenningsintensitetsfaktoren. Koeffisienten C økes med 2–5 ganger sammenlignet med luft eller ferskvann på grunn av korrosjon.

Kvantitativ utmattelsesliv som funksjon av start/stoppfrekvens

Utmattingstiden er bestemt for en typisk grad 2 titanflensveis (20 mm diameter, 1,5 mm veggtykkelse) med en spenningskonsentrasjonsfaktor K t=3 og en trykkstøt på 5 bar (Δσ ≈ 45 MPa ved sveisetåen). Utmattelseslevetiden for en start/stopp-frekvens på 2 ganger per dag (730 sykluser per år) er 500 000 til 1 000 000 sykluser, eller 685 til 1 370 år, ikke begrensende. Ved 6 ganger om dagen (2 190 sykluser i året) er utmattelseslevetiden 400 000 til 800 000 sykluser, eller 180 til 365 år, fortsatt trygt for praktiske bruksområder. Tretthetslevetiden reduseres til 200 000 til 500 000 sykluser ved 30 per dag (10 950 sykluser per år) eller 18 til 45 år, noe som er akseptabelt for de fleste bruksområder. Med en hastighet på 120 per dag (43 800 per år eller omtrent hvert 12. minutt) Utmattelseslevetiden er 80 000 til 200 000 sykluser eller 2 til 5 år, og det er en mulighet for utmattelsessvikt. Ved 500 ganger per dag (182 500 sykluser per år, omtrent hvert 3. minutt) synker utmattelsestiden under 50 000 sykluser, som er mindre enn 3 måneder, og ikke akseptabelt.

Effekter av kloridkonsentrasjon og temperatur på reduksjon av utmattelseslevetid

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 år i ferskvann på 70 grader med 0 ppm klorid. Livsreduksjonsfaktor=1.0. 15,000 ppm klorid 70ºC Utmattelseslevetid ved 2 sykluser per dag 500 - 1,000 år Utmattelseslevetid ved 6 sykluser per dag 180 - 365 år Reduksjonsfaktor ~ 0,5 Ved 70 grader i 30.000 ppm klorid, er utmattelseslevetiden ved 0-600 år klorid per dag 0-600 år per dag. 100-200 år med 6 sykluser per dag. Reduksjonsfaktoren er 0,3. Tretthetslevetiden ved 2 sykluser per dag er 200-400 år og ved 6 sykluser per dag er 70-150 år i 15 000 ppm klorid ved 90 grader C med reduksjonsfaktor på 0,25.

Håndbok for håndtering av start/stopp-frekvens og utmattelsesliv

Tabellen nedenfor viser anbefalte maksimale start/stopp-frekvenser for dype-brønnnedsenkbare titanvarmere som opererer i 15 000 ppm kloridvann ved 70 grader, basert på forventet levetid og bruk av metoder for å redusere utmattelse.

Ønsket levetid (år) Kloridkonsentrasjon (ppm) Maksimal anbefalt start/stoppfrekvens (sykluser/dag) Reduksjon nødvendig Forventet utmattelseslevetid
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× myk-start + grad 7 titan
5 15,000 80 2× Myk start + årlig inspeksjon
5 30,000 25 2× Karakter 7 + stress-lindret
Frekvenskontroll for Beyond Start/Stop Engineering

Kvaliteten på titan vil påvirke motstanden mot tretthet i korrosive miljøer. Grad 7 ligner på grad 2 i utmattelsesstyrke, men har bedre korrosjonsmotstand og dermed en reduksjon i korrosjonsutmattelsesakselerasjonsfaktoren på 30–50 %. Sveisekvaliteten er avgjørende. En jevn, flat overgangssveis har en spenningskonsentrasjonsfaktor Kt på 1,5-2 mot 3-5 for en som-sveiset skjøt. Ved å øke veggtykkelsen fra 1,5 mm til 2,5 mm reduseres spenningsamplituden for identisk trykkstøt med 30 %. Spenningsavlastning etter sveising ved 540 grader i 30 minutter minimerer gjenværende spenninger og dobler utmattelseslevetiden. En mykstartpumpekontroller senker vannslagstrykkstøt med 50-70 %.

Opprette en intelligent spesifikasjon

Design et pumpekontrollsystem for en nedsenkbar titanbrønnvarmer i 15 000 ppm kloridvann ved 70 grader C for å begrense start/stopp-frekvensen til 6 sykluser per dag eller mindre. For applikasjoner som trenger hyppigere sykling, spesifiser en mykstartkontroller for å redusere trykkstøt. Alle flenssveiser skal slipes i flukt til en armeringshøyde mindre enn 0,1 mm og spenningsavlastet ved 540 grader i 30 minutter i et argonmiljø. Ettermonter eksisterende høyfrekvensvarmere med en variabel frekvensomformer for å øke pumpehastigheten gradvis. Kontroller flenssveis med fargepenetrant en gang i året. Hvis det er indikasjon på sprekker, skift ut varmeren umiddelbart. Ingeniøren styrer frekvensen av pumpestart/stopp og sveisekvaliteten for å forhindre at korrosjonsutmattelse begrenser levetiden til flenssveiser i titanvarmer i grunnvann med høy-kloridinnhold.