Hvorfor fungerer en titan-dypevarmer med en polert sveisetå (spenningskonsentrasjonsfaktor<1.2) Outlast an As-Welded Joint (SCF >3) med en faktor på 5 i et 90 graders katodisk beskyttelsessystem for sjøvann?

Titaniumvarmere i et 90 graders katodisk beskyttelsessystem for sjøvann ble angrepet av korrosjon og hydrogensprøhet. Sveisetåen er et område med høy spenningskonsentrasjon. SCF for as-sveisede skjøter er 3-5 og for polerte sveisetåer er under 1,2. Den større SCF fører til økte strekkspenninger og dermed til økt hydrogenindusert sprekkdannelse og utmattingssprekkeinitiering. Polering for å redusere SCF øker levetiden med en faktor på 5. Forbedringen ses i titanhylsen og motstandstråden inni.

Rollen til stresskonsentrasjonsfaktoren i utmattelseslivet

En sveiset skjøt er et hakk hvor sveisetåen konsentrerer de påførte og gjenværende spenningene. Sveisetåspenningen er gitt ved σ_max=SCF ganger σ_nominal. Med en SCF på 4 for en som-sveiset skjøt, gir en nominell spenning på 50 MPa en lokal spenning på 200 MPa, nær flytegrensen til grad 2 titan. Med SCF=1.2 for en polert skjøt gir den samme nominelle spenningen en lokal spenning på bare 60 MPa. I et katodisk beskyttelsessystem dannes hydrogenatomer på overflaten av titan. Strekkspenningen trekker hydrogenet til posisjonen for den maksimale triaksiale spenningen ved sveisetåen hvor hydridene utfelles og sprekkene initieres. Lavere SCF reduserer drivkraften for hydrogenakkumulering.

Tretthetslevetid som funksjon av sveisetåtilstand, kvantitativ

Utmattingslevetiden for grad 2 titansveiseskjøter er oppnådd fra kontrollerte sykliske belastningstester i 90 graders sjøvann med katodisk beskyttelse ved -0,85 V vs. Ag/AgCl. Levetiden i forhold til as-sveiset for en like-sveiset skjøt med et skarpt hakk (SCF 4-5) er 10 000-30 000 sykluser til sprekkstart. For den sveisede skjøten med gjennomsnittlig geometri (SCF 3-4), er syklusene 20 000-50 000 og den relative levetiden er 1,5. Glatt skjøt (SCF 1,5-2) 50 000-150,000 3.0 For en skjøt som er mekanisk polert (SCF 1,2-1,5) er syklusene 80 000-200 000 og den relative levetiden er 4,0. For den elektropolerte skjøten med SCF mindre enn 1,2 er syklusene 150 000-300 000 og den relative levetiden er 5-7 ganger den sveiset tilstand.

Effekt av katodisk beskyttelsespotensial på SCF-sensitivitet

Fordelen med polering øker med mer negativt katodisk beskyttelsespotensial (mer beskyttende). Siden-sveiset levetid er 100 000-200 000 sykluser. Polert levetid er 500 000-1 000 000 sykluser. Levetidsforholdet er 5 ved -0,80 V vs. Ag/AgCl. Ved -0,85 V har den sveisede levetiden på 30 000-60 000 sykluser, den polerte har en levetid på 150 000-300 000 sykluser, og forholdet er fortsatt 5. Levetiden ved -0,90 V er 10 000-20 sek. 50 000-100 000 sykluser og forholdet er 5. Sveisets levetid ved -0,95 V er 5 000-10 000 sykluser, polert levetid er 25 000-50 000 sykluser og forholdet er 5. 5x konsekvente konsistente forbedringer av konsentrasjonen demonstrerer at den absolutte årsaken til polering av konsentrasjonen takler den absolutte levetiden.

Veiledning for sveisetåforbinding for katodiske beskyttelsestjenester

Tabellen nedenfor gir anbefalinger for sveisetåbearbeiding for titaniumvarmere i 90 graders katodiske beskyttelsessystemer for sjøvann basert på forventede krav til syklisk levetid.

Forventede sykluser over levetid Nødvendig SCF-anbefalt sveisetåfinish Forventet utmattingslevetid (sykluser) i forhold til As-sveiset<10,000 <4 As-Welded (any) 10,000-30,000 1x 10,000-50,000 <3 As-welded (smooth) 20,000-50,000 1.5x 50,000-150,000 <2 Ground smooth 50,000-150,000 3x 150,000-300,000 <1.5 Mechanically polished 80,000-200,000 4x >300,000 <1.2 Electropolished 150,000-300,000 5-7x Engineering Beyond Weld Toe Finishing

Tretthetsmotstanden påvirkes av titankvalitet uavhengig av SCF. Grad 7 er på samme måte følsom for SCF, men har høyere indre utmattelsesstyrke på grunn av palladiumanrikning. For en gitt last er den nominelle spenningen avhengig av veggtykkelsen. En vegg på 2,0 mm gir lavere spenning enn en vegg på 1,0 mm for samme bøyemoment. Formen på sveisearmeringen må tas i betraktning. En jevn overgang (radius > 3 mm) reduserer SCF mer enn bare sliping. Etter{10}}sveiseavlastningsgløding ved 540 grader i 30 minutter reduserer gjenværende tøyninger med 60–80 % og forbedrer utmattelsestiden betydelig. Det katodiske beskyttelsespotensialet bør justeres til -0,80 til -0,85 V, men ikke mer negativt for å minimere hydrogenutviklingen.

Skrive en informert spesifikasjon

Specify electropolish all weld toes to a stress concentration factor less than 1.2 for titanium immersion heater in 90°C seawater cathodic protection service. Require profilometer readings to verify that the weld toe radius is more than 3 mm. For existing heaters with as-welded joints, include a stress-relief anneal and grind the weld toes smooth. During operation, examine the weld area annually using dye penetrant and regrind and repolish if cracks are found. Polishing the titanium heater welds reduces the stress concentration factor from >3 til<1.2 and increases the fatigue life by a factor of 5 in cathodically protected seawater.