Koji je sigurnosni faktor (2,0 nasuprot 3,0) prikladan pri izračunavanju tlaka pucanja titanskog grijača za hidraulički sustav upravljanja?

Kada inženjer hidraulike dizajnira titanski grijač za visoko{0}}tlačni hidraulički upravljački sustav, poput onih u pokretačima zrakoplova, podvodnoj opremi ili teškim strojevima, izračun tlaka pucanja mora uključivati ​​faktor sigurnosti (SF) kako bi se uzele u obzir varijacije u materijalu, nedostaci u proizvodnji i uvjeti rada. Tlak pucanja (P burst) titanske cijevi s tankim -stjenkama daje se kao P burst=SF(2σ ult t/D), gdje je σ ult krajnja vlačna čvrstoća (2. stupanj: 345 MPa), t je debljina stijenke, a D je vanjski promjer. Za ne-kritične sustave koji se redovito provjeravaju, odabirom SF=2.0 dobivate tlak pucanja koji je dvostruko veći od maksimalnog radnog tlaka. Za sigurno{11}}kritične sustave ili sustave s vibracijama, skokovima tlaka ili korozivnim uvjetima potreban je trostruki međuspremnik. Odabir SF=3.0 to dopušta. Odgovarajući SF oslanja se na posljedice kvara i radnu okolinu.

Izbor faktora sigurnosti za tlačne komponente od titana
Sigurnosni faktor za tlak pucanja uključuje šest čimbenika koji nisu uključeni u jednostavan izračun naprezanja obruča: 1) varijacije u debljini stijenke cijevi (obično +/- 5-10% nominalne), 2) ovalnost (izvan--okruglost smanjuje tlak pucanja za 10-25%), 3) površinski nedostaci (ogrebotine smanjuju lokalnu čvrstoću za 20-50%), 4) temperaturno smanjenje (čvrstoća se smanjuje 10-20% na 100 stupnjeva u odnosu na sobnu temperaturu), 5) zamor (ciklički tlak smanjuje vijek) i 6) dopuštenje za koroziju (stanjivanje stijenke tijekom vremena). S faktorom sigurnosti od 2,0 (normalno za nekritične hidrauličke sustave) pretpostavljate da su ove varijable dobro regulirane i da se sustav rutinski pregledava. Sigurnosni faktor od 3,0 (kao što je uobičajeno za tlačne posude prema ASME Odjeljku VIII) pretpostavlja najgore moguće kombinacije svih čimbenika i nema pristupa za pregled.

SF=2.0 u odnosu na SF=3.0 kvantitativno određivanje tlaka pucanja za tipične veličine cijevi
OD cijevi (mm)|Debljina stijenke (mm)|Maks. radni tlak (bar) na SF=2.0|Maks. radni tlak (bar) na SF=3.0 |Preporučena primjena 12.7 1.0 108 72 Nizak tlak, ne-kritično 12.7 1.5 163 108 Umjeren tlak
16.0 1.5 130 86 Opća hidraulika 16.0 2.0 173 115 Viši tlak 20.0 1.5 104 69 Srednji tlak, veći protok
20.0 2.0 138 92 Opća industrijska 20.0 2.5 173 115 Visoko{2}}hidraulika 25.4 2.0 109 73 Podmorski umjereni tlak
25.4 2.5 136 91 Duboko podmorje, SF=3.0 25.4 3.0 163 109 Podmorje, SF=3.0 potrebno
Vodič za odabir faktora sigurnosti na temelju scenarija
Primjena i posljedice kvara Tipični radni tlak (bar) Preporučeno SF obrazloženje
Grijač hidrauličkog voda zrakoplova (ključno za sigurnost) 210-350 3.0-4.0 Kvar uzrokuje gubitak kontrole. Mora imati visok SF.
Podmorski kontrolni sustav (1500 m dubine, 150 bara vanjski) 200 (unutarnji) 3,0 Vanjski tlak može uzrokovati kolaps. 3.0 minimum API 17E SF=
Industrijska hidraulička preša (ne-kritično) 150-250 2.0 Periodični pregled. Kvar dovodi do zastoja, a ne ugrožava sigurnost.
Hidraulički grijač poljoprivredne opreme 100-200 2.0 Umjerene posljedice. SF=2.0 kriteriji.
Mobilni strojevi (bager, utovarivač) 200-300 2.5 Vibracijska i udarna opterećenja zahtijevaju srednji SF.
Grijač ispitnog postolja (povremeno, pod nadzorom) Do 400 2.0 Nadzirano trenutno isključivanje ako se otkrije curenje.
Hidraulički sustav morske vode (korozivno) 100-150 3.0 Potreban dodatak za koroziju. SF=3.0 je bio zbog stanjivanja stijenke.
High-cycle hydraulic system (>1 milijun ciklusa godišnje) Bilo koja 3.0+ analiza zamora SF=3.0 nije dobra za teške cikluse. Potreban je proračun zamora S-N krivulje.
Inženjerski čimbenici koji povećavaju potrebni faktor sigurnosti
Povećajte faktor sigurnosti na 3,0 ili više ako postoji bilo koja od sljedećih situacija. Zavarena cijev (preporučena za hidraulički servis) smanjuje pritisak pucanja za 20-40% na zavarenom šavu. Zbog smanjenja čvrstoće titana za 10-20% iznad radne temperature od 80 C, SF treba prilagoditi na temelju faktora smanjenja temperature. Mijenjanje tlaka (više od 10 000 ciklusa godišnje) zahtijeva analizu zamora. SF=3.0 možda neće biti dovoljan. U korozivnom okruženju (morska voda, kiseline), stjenka se s vremenom tanji i SF mora uzeti u obzir očekivano pogoršanje. Izračuni dinamičkog pucanja moraju uzeti u obzir dodatna naprezanja uslijed vibracija i mehaničkih udara. Za bilo koju kombinaciju ovih parametara preporuča se pregled dizajna s potpunom analizom konačnih elemenata (FEA) i predviđanjem vijeka trajanja od zamora radije nego oslanjanje samo na faktor sigurnosti.

Zaključak: SF=3.0 za sigurnost-kritično, SF=2.0 za hidrauličku uslugu ne-kritično
Sigurnosni faktor od 2,0 idealan je za ne-kritične primjene gdje bi kvar grijača samo doveo do prekida rada, a hidraulički kontrolni sustav se rutinski nadzire, npr. tlak pucanja titanijskog grijača u hidrauličkom upravljačkom sustavu. Sigurnosni faktor od 3,0 potreban je za sigurnosno-kritične (zrakoplov, podmornica, visoki-tlak) ili korozivne uvjete, vibracije ili promjene pritiska. Postoji velika razlika u radnom tlaku između SF=2.0 i SF=3.0. Na primjer, titanska cijev promjera 20 mm x 2,0 mm može raditi na 138 bara sa SF=2.0, ali samo na 92 ​​bara sa SF=3.0, razlika je od 33%. Kada se specificira grijač od titana za bilo koju hidrauličku primjenu, dobavljaču treba dostaviti maksimalni radni tlak, radnu temperaturu, ciklički rad i posljedice kvara kako bi se omogućio odabir ispravnog sigurnosnog faktora i specificiranje točne debljine stijenke kako bi se ispunili zahtjevi sigurnosti i performansi.