U dubokom-bunarskom potopnom grijaču od titana koji pumpa 15 000 ppm kloridne vode na 70 stupnjeva, kako učestalost pokretanja/zaustavljanja pumpe (6 puta/dan naspram. 2 puta/dan) utječe na vijek trajanja zamora zavara prirubnice?

Duboki potopni titanski grijači doživljavaju ciklička mehanička opterećenja zbog pokretanja i zaustavljanja crpke. Crpka se iznenada pokreće i 15 000 ppm kloridne vode na 70 stupnjeva iznenada teče uzrokujući povećanje tlaka vodenog udara. Kada se pumpa zaustavi, protok prestaje i tlak oscilira, a može se i obrnuti. Ovi ciklusi pritiska uzrokuju ciklička naprezanja u zavarenoj prirubnici, spoju između grijača i glave pumpe ili ispusne cijevi. S-N krivulja povezuje amplitudu naprezanja s brojem ciklusa do kvara, a vijek trajanja zavara dan je ovom S-N krivuljom. Povećana učestalost pokretanja/zaustavljanja pumpe (6 puta dnevno naspram . 2 puta dnevno) povećava broj ciklusa godišnje i smanjuje vijek trajanja. Formiranje zamornih pukotina se ubrzava na 70 stupnjeva u korozivnom okruženju klorida i životni vijek se dodatno smanjuje u usporedbi s uvjetima slatke vode.

Korozijski zamor zavara prirubnice u mehanizmu s kloridnom vodom

Zavar prirubnice je područje zaostalog vlačnog naprezanja, mikrostrukturne heterogenosti i koncentracije naprezanja. Svaki ciklus pokretanja/zaustavljanja pumpe izaziva amplitudu naprezanja (Δσ) na zavarivanju, obično u rasponu od 20–50 MPa, zbog skokova tlaka vodenog čekića. Cikličko naprezanje lokalno uništava pasivni film na zavaru u 15 000 ppm kloridne vode na 70 stupnjeva. Izloženi metal napadaju kloridni ioni i pukotine nastaju na vrhovima zavara. Svaki ciklus produljuje pukotinu za 0,1-1 um. Stopa rasta pukotine dana je Pariškim zakonom kao: da/dN=C(DeltaK) m Gdje je DeltaK raspon faktora intenziteta naprezanja. Koeficijent C se zbog korozije povećava 2-5 puta u usporedbi s uvjetima zraka ili slatke vode.

Kvantitativni vijek trajanja od zamora kao funkcija brzine start/stop

Životni vijek od zamora je određen za tipični zavareni spoj od titana Grade 2 (promjer 20 mm, debljina stijenke 1,5 mm) s faktorom koncentracije naprezanja K t=3 i udarom tlaka od 5 bara (Δσ ≈ 45 MPa na vrhu zavara). Vijek trajanja zamora za učestalost pokretanja/zaustavljanja od 2 puta dnevno (730 ciklusa godišnje) je 500.000 do 1.000.000 ciklusa, ili 685 do 1.370 godina, bez ograničenja. Pri 6 puta dnevno (2190 ciklusa godišnje) vijek trajanja je 400 000 do 800 000 ciklusa ili 180 do 365 godina, što je još uvijek sigurno za praktične primjene. Vijek trajanja zamora smanjuje se na 200 000 do 500 000 ciklusa pri 30 po danu (10 950 ciklusa godišnje) ili 18 do 45 godina, što je prihvatljivo za većinu primjena. Pri stopi od 120 po danu (43 800 godišnje ili otprilike svakih 12 minuta) vijek trajanja je 80 000 do 200 000 ciklusa ili 2 do 5 godina i postoji mogućnost kvara uslijed zamora. Kod 500 puta dnevno (182 500 ciklusa godišnje, otprilike svake 3 minute) vijek trajanja od umora pada ispod 50 000 ciklusa, što je manje od 3 mjeseca i nije prihvatljivo.

Učinci koncentracije klorida i temperature na smanjenje vijeka trajanja uslijed zamora

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 godina u slatkoj vodi na 70 stupnjeva s 0 ppm klorida. Faktor redukcije životnog vijeka=1.0. 15,000 ppm klorida 70ºC Trajnost od zamora pri 2 ciklusa dnevno 500 - 1,000 godina Životni vijek pri 6 ciklusa dnevno 180 - 365 godina Faktor redukcije ~ 0,5 Na 70 stupnjeva u 30 000 ppm klorida, vijek trajanja od zamora je 300-600 godina pri 2 ciklusa dnevno i 100-200 godina po 6 ciklusa dnevno. Faktor smanjenja je 0,3. Vijek trajanja pri 2 ciklusa dnevno iznosi 200-400 godina, a pri 6 ciklusa dnevno 70-150 godina u 15 000 ppm klorida pri 90 stupnjeva C s redukcijskim faktorom od 0,25.

Priručnik za upravljanje frekvencijom pokretanja/zaustavljanja i umorom

Tablica u nastavku prikazuje preporučene maksimalne frekvencije pokretanja/zaustavljanja za duboko-potopne titanske grijače koji rade u 15.000 ppm kloridne vode na 70 stupnjeva, na temelju očekivanog životnog vijeka i primjene metoda za smanjenje zamora.

Željeni radni vijek (godine) Koncentracija klorida (ppm) Maksimalna preporučena učestalost pokretanja/zaustavljanja (ciklusi/dan) Potrebno ublažavanje Očekivana margina zamora
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× Meki-start + Grade 7 titanium
5 15,000 80 2× Blagi start + godišnji pregled
5 30,000 25 2× stupanj 7 + stres-oslobođen
Kontrola frekvencije za višestruki start/stop inženjering

Kvaliteta titana utjecat će na otpornost na zamor u korozivnim sredinama. Stupanj 7 sličan je stupnju 2 u čvrstoći na zamor, ali ima bolju otpornost na koroziju i stoga smanjenje faktora ubrzanja korozijskog zamora od 30-50%. Kvaliteta zavara je ključna. Glatki prijelazni zavar u ravnini s tlom ima faktor koncentracije naprezanja K t od 1,5-2 naspram 3-5 za ne-zavareni spoj. Povećanjem debljine stjenke s 1,5 mm na 2,5 mm amplituda naprezanja za identičan udar tlaka smanjuje se za 30%. Žarenje za ublažavanje naprezanja nakon zavarivanja na 540 stupnjeva tijekom 30 minuta smanjuje zaostala naprezanja i udvostručuje vijek trajanja od zamora. Regulator pumpe s mekim pokretanjem smanjuje skokove tlaka vodenog udara za 50-70 %.

Stvaranje inteligentne specifikacije

Dizajnirajte sustav kontrole pumpe za potopni grijač duboke bušotine od titana u 15000 ppm kloridne vode na 70 stupnjeva C kako biste ograničili učestalost pokretanja/zaustavljanja na 6 ciklusa dnevno ili manje. Za aplikacije koje zahtijevaju češće cikluse, odredite regulator mekog pokretanja kako biste smanjili skokove tlaka. Svi zavareni spojevi prirubnice moraju se izbrusiti u ravnini s visinom armature manjom od 0,1 mm i smanjiti naprezanje na 540 stupnjeva tijekom 30 minuta u okruženju argona. Naknadno opremite postojeće grijače visoke ciklične frekvencije pogonom varijabilne frekvencije kako biste postupno povećavali brzinu crpke. Jednom godišnje provjerite zavar prirubnice s penetrantom. Ako se primijeti bilo kakva naznaka pukotina, odmah zamijenite grijač. Inženjer upravlja učestalošću pokretanja/zaustavljanja crpke i kvalitetom zavara kako bi spriječio da zamor od korozije ograniči životni vijek zavarenih prirubnica grijača od titana u visoko-kloridnoj podzemnoj vodi.