I et 90 graders katodisk beskyttelsessystem for sjøvann er titanvarmere utsatt for både korrosivt angrep og hydrogensprøhet. Sveisetåen er et område med høy spenningskonsentrasjon. Ettersom -sveisede skjøter har en spenningskonsentrasjonsfaktor (SCF) på 3–5, mens polerte sveisetå reduserer SCF til under 1,2. Jo høyere SCF forsterker strekkspenninger, og fremmer hydrogen-indusert sprekkdannelse og utmattelsessprekkinitiering. Å redusere SCF ved polering forlenger levetiden med en faktor på 5. Forbedringen observeres i både titankappen og motstandstråden innenfor.

Mekanismen for stresskonsentrasjonsfaktorens innflytelse på utmattelseslivet

I en sveiset skjøt fungerer sveisetåen som et hakk som konsentrerer påførte og restspenninger. Den effektive spenningen ved sveisetåen er σ_max=SCF × σ_nominal. For en som-sveiset skjøt med SCF=4, gir en nominell spenning på 50 MPa en lokal spenning på 200 MPa, som nærmer seg flytegrensen til grad 2 titan. For en polert skjøt med SCF=1.2 gir den samme nominelle spenningen en lokal spenning på bare 60 MPa. I et katodisk beskyttelsessystem genereres hydrogenatomer på titanoverflaten. Strekkspenning trekker hydrogen til området med maksimal triaksial spenning ved sveisetåen, hvor hydrider utfelles og sprekker starter. Lavere SCF reduserer drivkraften for hydrogenakkumulering.

Kvantitativ utmattelsesliv som en funksjon av sveisetåtilstand

Kontrollert syklisk belastningstesting i 90 graders sjøvann med katodisk beskyttelse ved -0,85 V vs. Ag/AgCl har etablert følgende utmattelseslevetid for grad 2 titansveiseskjøter. For en like-sveiset skjøt med et skarpt hakk (SCF 4–5), er syklusene til sprekkinitiering 10 000–30 000, og levetiden i forhold til som-sveiset er 1,0. For en som-sveiset skjøt med gjennomsnittlig geometri (SCF 3–4), er syklusene 20 000–50 000, og den relative levetiden er 1,5. For en slipt glatt skjøt (SCF 1,5–2) er syklusene 50 000–150 000, og den relative levetiden er 3,0. For en mekanisk polert skjøt (SCF 1,2–1,5) er syklusene 80 000–200 000, og den relative levetiden er 4,0. For en elektropolert skjøt med SCF under 1,2 er syklusene 150 000–300 000, og den relative levetiden er 5–7 ganger så lang som i sveiset tilstand.

Påvirkning av katodisk beskyttelsespotensial på SCF-sensitivitet

Fordelen med polering øker ettersom det katodiske beskyttelsespotensialet blir mer negativt (mer beskyttende). Ved -0,80 V vs. Ag/AgCl, er as-sveiset levetid 100 000–200 000 sykluser, den polerte levetiden er 500 000–1 000 000 sykluser, og levetidsforholdet er 5. Ved {{23},0 er as. 30 000–60 000 sykluser, den polerte levetiden er 150 000–300 000 sykluser, og forholdet forblir 5. Ved -0,90 V er levetiden som sveiset 10 000–20 000 sykluser, den polerte levetiden er 50,00,0,0 og 50,00,0. Ved -0,95 V er levetiden ved sveising 5 000–10 000 sykluser, den polerte levetiden er 25 000–50 000 sykluser, og forholdet er 5. Den konsekvente 5×-forbedringen indikerer at polering adresserer den grunnleggende spenningskonsentrasjonsmekanismen uavhengig av den absolutte levetiden.

Veiledning for etterbehandling av sveisetå for katodisk beskyttelsestjeneste

Følgende tabell gir anbefalinger for sveisetåbearbeiding for titanvarmere i 90 graders katodiske beskyttelsessystemer for sjøvann, basert på forventede krav til syklisk levetid.

Engineering Beyond Weld Toe Finishing

Titankvaliteten påvirker utmattelsesmotstanden uavhengig av SCF. Grad 7 har lignende SCF-følsomhet, men høyere iboende utmattelsesstyrke på grunn av palladiumanrikning. Veggtykkelsen påvirker den nominelle spenningen for en gitt last; en 2,0 mm vegg har lavere spenning enn en 1,0 mm vegg for samme bøyemoment. Formen på sveisearmeringen betyr noe; en jevn overgang med en radius større enn 3 mm reduserer SCF mer enn sliping alene. Etter-sveiseavlastning ved 540 grader i 30 minutter reduserer gjenværende spenninger med 60–80 %, og forbedrer utmattingstiden ytterligere. Det katodiske beskyttelsespotensialet bør kontrolleres til -0,80 til -0,85 V, ikke mer negativt, for å minimere hydrogenutviklingen.

Lage en informert spesifikasjon

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 til<1.2 through polishing, the engineer extends the fatigue life of titanium heater welds by a factor of 5 in cathodically protected seawater.