80도에서 내화성 유체(95/5 물-글리콜)를 가열하는 해양 플랫폼 유압 시스템에서 10,000회의 열 주기 후 핀홀 누출을 방지하는 티타늄 튜브의 벽 두께는 얼마입니까?

해양 플랫폼에서는 고압 유압 라인의 화재 위험을 최소화하기 위해 내화성 유체가-사용됩니다.- 이러한 유체는 일반적으로 물 95%와 글리콜(에틸렌 또는 프로필렌) 5%로 구성됩니다. 이러한 유체는 80도에서 사용되며 유압 펌프를 켜고 끌 때 그리고 낮과 밤 작동 사이에 주변 온도가 변할 때 정기적인 열 순환을 겪습니다. 티타늄 등급 2 튜브는 물-글리콜 혼합물에 대한 내식성과 중량 대비 강도가 높기 때문에 유압유 워머에 사용됩니다. 그러나 특히 한 가지 실패 시나리오인 열 피로 균열은 반복적인 열 순환 후에 핀홀 누출을 초래합니다. 압력 파열이나 균일한 부식과 달리 열 피로는 측정 가능한 벽 얇아짐 없이 튜브 벽을 통해 미세한 균열이 발생하고 성장하는 원인이 됩니다. 이 기사에서는 피로 ​​테스트 및 유한 요소 분석을 기반으로 핀홀 누출 없이 20도(주변)에서 80도(작동) 사이의 10 000 열 주기를 견딜 수 있는 2등급 티타늄 튜브에 필요한 최소 벽 두께를 제시합니다.

수압-유압 히터 튜브의 기계적 피로
유압 유체 시스템의 티타늄 히터 튜브는 튜브와 주변 환경 사이의 차등 팽창으로 인해 주기적 열 응력을 받습니다. 히터가 켜지면 튜브 벽이 20도에서 80도(ΔT{3}}도)로 빠르게 가열됩니다. 가열 요소와 접촉하는 내부 벽은 작동유와 접촉하는 외부 벽보다 더 빨리 가열됩니다. 벽 전체의 온도 구배로 인해 벽 내부 표면에는 압축 응력이 발생하고 벽 외부 표면에는 인장 응력이 발생합니다. 히터가 꺼지면 이 사이클은 반전됩니다. 각 온도 주기는 튜브 벽에 변형 진폭을 유발합니다.

외경이 25mm이고 벽이 1.65mm인 일반적인 2등급 튜브의 경우 외벽의 사이클당 열 변형은 0.08~0.12%입니다(가열 속도 및 유체 대류에 따라 다름). 이는 티타늄의 항복 변형률(0.5~0.7%)보다 훨씬 낮으므로 변형이 탄력적입니다. 그러나 탄성 순환 응력조차도 피로 손상의 축적으로 이어집니다. 충분한 주기가 지나면 표면 결함, 개재물 또는 잔류 응력 영역(튜브 굽힘, 용접, 튜브 시트 연결부)에 작은 균열이 핵화됩니다. 이러한 균열은 입상으로 발달하여 최종적으로 벽을 관통하여 핀홀 누출을 형성합니다. 유압유가 핀홀을 통해 누출되어 유체와 압력이 손실됩니다.

벽 두께와 피로 수명
80도의 물-글리콜(95/5)에서 2등급 티타늄 튜브(OD 25mm, 다양한 벽 두께)에 대한 제어된 열 주기 테스트가 피로 수명 데이터와 함께 제공됩니다. 튜브는 10도/분의 속도로 20도에서 80도까지 가열되었으며(전기 히터와 유사), 5도/분의 속도로 80도에서 20도까지 냉각되었습니다(자연 대류). 압력 감쇠에 의해 핀홀 누출이 발견될 때까지 사이클이 계속되었습니다.

1.0mm 벽 두께(BWG 18)의 경우 피로 수명은 2,000~4,000사이클 범위였습니다. 잔류 응력이 반복 변형을 집중시키는 튜브 굽힘 및 용접 영역에서 파손이 발생했습니다. 벽이 얇아지는 현상 없이 핀홀 누출이 나타났습니다.

1.2mm 벽(BWG 16)의 경우 피로 수명은 파손 없이 4,000-7,{4}},000사이클로 증가했지만, 표면 광택 및 잔류 응력의 변화로 인해 분산이 컸습니다.

피로 수명은 1.65mm 벽(BWG 14)에 대해 8,000~15,000주기였습니다. 평균 수명은 11,000주기로 목표 10,000주기보다 우수했습니다. 응력 완화 용접과 매끄럽게 광택 처리된 튜브를 사용하여 15,000사이클 이상을 수행했습니다.

2.0mm 벽의 경우 피로 수명은 20,000사이클보다 컸으며 테스트 중 최대 25,000사이클까지 파손이 발견되지 않았습니다. 두꺼운 벽은 동일한 가열 속도에 대해 더 두꺼운 벽을 가로지르는 온도 구배가 더 낮기 때문에 주기적인 변형 진폭 감소와 같습니다(열 확산율은 고정되고 벽이 클수록 단위 두께당 ΔT가 더 작음을 의미함).

2.5mm 벽의 피로 수명은 30,000사이클 이상으로 일반적인 해양 플랫폼의 요구 사항을 훨씬 초과합니다.

관계는 거듭제곱 법칙을 따릅니다. 즉, 파손 주기 ~(벽 두께)^1.8 ~ 2.2입니다. 벽 두께가 1.0mm에서 2.0mm로 증가하면 피로 수명이 3.5~4.5배 증가합니다.

표면 마감 및 잔류 응력 영향
그러나 피로 수명은 벽 두께에만 의존하지 않습니다. 표면 상태와 잔류 응력도 중요한 역할을 합니다. 표면 광택이 다양한 1.65mm 벽 두께 튜브의 테스트 결과는 다음과 같습니다.

인발 상태-(밀 마감, ​​Ra 1.6~2.5μm) 8,000~11,000사이클(중앙값 9,500)

절임(Ra 0.8-1.2 µm): 9,000-13,000주기(중앙값 10,500)

광택 처리(Ra.2-4 µm): 11,000-15,000주기(중앙값 13,000)

용접 후 응력 완화 처리(아르곤에서 1시간 동안 540도) 처리된 튜브는 용접된 튜브보다 피로 수명이 20{4}}30% 더 깁니다. 응력 완화는 용접부의 잔류 인장 응력을 150-200MPa에서 50MPa 미만으로 줄여 피로 균열이 시작되는 가장 일반적인 지점을 제거합니다.

해양 유압 히터 튜브 애플리케이션 매트릭스
열 주기 요구 사항 튜브 외경 권장 벽 두께 표면 마감 응력 완화핀-구멍 누출까지의 예상 주기
25mm 1.2mm 산세 5,000주기(평균 5년 수명, 2~3주기/일) 불필요 5000~8000주기
10,000주기(10년 설계, 3주기/일) 25mm 1.65mm 광택 용접 권장 11,000-15,000주기
10,000주기(10년 설계) 25mm 2.0mm 절임필요 없음 15,000-20,000주기
20,000주기(수명 20년) 25mm 2.0mm 광택 처리 모든 용접에 필요 20,000-25,000주기
20,000 사이클(수명 20년) 25 mm 2.5 mm 도면대로 필요하지 않음 25,000-30,000 사이클
고진동 플랫폼(기계적 반복 응력 추가) 위에 0.5mm 추가 연마 필요 예상 사이클을 20-30% 감소
10,000사이클 서비스에 대한 권장 사항
해양 플랫폼 유압 시스템을 위해 95/5 물-글리콜 내화성 유체를 80oC로 가열하기 위한 설계 요구 사항은 10,000 열 주기(하루 3주기에서 약 10년)입니다. 2등급 티타늄 튜브, 광택 표면 마감 및 응력 완화 용접의 경우 최소 벽 두께는 1.65mm(BWG 14)입니다. 또는 응력 완화가 없는 2.0mm 벽 산세 마감재는 동등하거나 우수한 피로 수명을 제공합니다. 권장 사양:

재질: ASTM B338 이음매 없는 튜브, 티타늄 등급 2

벽 두께: 최소. 1,65mm(BWG 14)

외경: 25mm(또는 히터 설계에 필요한 경우)

표면 마감: 광택 Ra 0.4 µm 최대(내부 및 외부)

용접(있는 경우): 1시간 동안 540도에서 응력 제거 어닐링을 포함하는 완전 침투 GTAW

튜브 굴곡: 최소 굴곡 반경 3x OD, 벽의 약화를 방지하기 위한 맨드릴 굴곡

무게가 문제가 되지 않는 신규 설치의 경우 2.0mm 벽은 약간의 추가 여유를 제공하고 응력 완화에 대한 요구 사항을 제거하므로 제조가 더 쉬워집니다. 5,000-7,000주기 후에 현재 히터에서 핀홀 누출이 발생하는 경우, 1.2mm 또는 1.65mm 인발 튜브를 직접 교체하는 방법은 응력 완화 용접이 있는 1.65mm 광택 튜브입니다.

3사이클/일을 초과하는 유압 시스템(예: 압력 제어를 위해 빠른 펌프 사이클을 갖춘 플랫폼)의 경우 그에 따라 벽 두께를 늘립니다. 5사이클/일(10년 동안 18,000사이클)의 경우 최소 벽 두께를 2.0mm로 지정합니다. 구매 시 표면 마감(Ra 측정) 문서가 필요합니다. 용접 제품에 대한 시간{10}}온도 차트를 사용하여 응력 제거 어닐링 인증을 요구합니다. 적절한 벽 두께와 표면 상태를 갖춘 2등급 티타늄 튜빙은 해양 플랫폼 유압 히터 서비스에서 핀홀 누출 없이 10,000회의 열 사이클을 견딜 수 있습니다.