En sistemes hidràulics de plataforma offshore que escalfen fluids -resistents al foc (aigua 95/5-glicol) a 80 graus, quin gruix de paret del tub de titani evita les fuites de forats després de 10.000 cicles tèrmics?

A les plataformes marítimes, s'utilitzen fluids-resistents al foc per minimitzar el risc d'incendi a les línies hidràuliques d'alta-pressió. Aquests fluids solen estar formats per un 95% d'aigua i un 5% de glicol (etilè o propilè). Aquests fluids s'utilitzen a 80 graus i estan sotmesos a cicles tèrmics regulars quan s'encenen i s'apaguen les bombes hidràuliques i quan la temperatura ambient canvia entre les operacions diürnes i nocturnes. Els tubs de titani de grau 2 s'utilitzen per a escalfadors de fluids hidràulics a causa de la seva resistència a la corrosió en les mescles d'aigua-glicol i una gran relació resistència/pes. Tanmateix, un escenari de fallada en particular, l'esquerdament per fatiga tèrmica, provoca fuites de forats després de cicles de calor repetits. La fatiga tèrmica, a diferència de l'esclat de pressió o la corrosió uniforme, fa que es desenvolupin esquerdes microscòpiques i creixin a través de la paret del tub sense cap aprimament mesurable de la paret. En aquest article es presenta el gruix de paret mínim necessari perquè els tubs de titani de grau 2 suportin 10 000 cicles tèrmics entre 20 graus (ambient) i 80 graus (funcionament) sense fuites per forat, basat en proves de fatiga i anàlisi d'elements finits.

Fatiga hidro-mecànica dels tubs d'un escalfador hidràulic
Un tub escalfador de titani en un sistema de fluid hidràulic està subjecte a tensions tèrmiques cícliques causades per l'expansió diferencial entre el tub i l'entorn circumdant. Quan l'escalfador està encès, la paret del tub s'escalfa ràpidament de 20 graus a 80 graus (ΔT=60 graus). La paret interior en contacte amb l'element calefactor s'escalfa més ràpidament que la paret exterior en contacte amb el fluid hidràulic. Els gradients de temperatura a través de la paret provoquen esforços de compressió a la superfície interior de la paret i esforços de tracció a la superfície exterior de la paret. Aquest cicle s'inverteix quan s'apaga l'escalfador. Cada cicle de temperatura indueix una amplitud de tensió a la paret del tub.

Per a un tub típic de grau 2, de 25 mm de diàmetre exterior amb una paret d'1,65 mm, la tensió tèrmica per cicle a la paret exterior és d'entre 0,08 i 0,12% (depenent de la velocitat d'escalfament i la convecció del fluid). Això està molt per sota de la tensió de rendiment del titani (0,5-0,7%), de manera que la deformació és elàstica. Però fins i tot l'estrès cíclic elàstic condueix a l'acumulació de danys per fatiga. Després de cicles suficients, es nucleen petites esquerdes a defectes superficials, inclusions o regions de tensió residual (cobes de tubs, soldadures, connexions de xapes de tubs). Aquestes esquerdes es desenvolupen de forma transgranular i finalment perforen la paret per formar una fuita estenopeica. El fluid hidràulic es filtra a través dels forats produint una pèrdua de fluid i pressió.

Gruix de paret vs. Vida de fatiga
Es presenten proves de cicle tèrmic controlat de tubs de titani de grau 2 (25 mm OD, diversos gruixos de paret) en aigua-glicol (95/5) a 80 graus amb dades de vida útil a la fatiga. Els tubs es van escalfar de 20 a 80 graus amb una velocitat de 10 graus / min (similar als escalfadors elèctrics) i es van refredar de 80 a 20 graus amb una velocitat de 5 graus / min (convecció natural). Els cicles es van continuar fins que es va trobar una fuga de forat per la disminució de la pressió.

Per a un gruix de paret d'1,0 mm (BWG 18) la vida a la fatiga estava en el rang de 2.000 a 4.000 cicles. El fracàs es va produir als corbes del tub i a les zones de soldadura en què les tensions residuals concentraven la tensió cíclica. Van aparèixer filtracions de forats sense cap aprimament aparent de la paret.

Per a la paret d'1,2 mm (BWG 16), la vida a la fatiga es va augmentar a 4.000-7,000. 8.000 cicles sense fallar, però la dispersió va ser gran a causa de les variacions en el poliment superficial i la tensió residual.

La vida a fatiga va ser de 8.000 a 15.000 cicles per a paret d'1,65 mm (BWG 14). La vida mitjana era d'11.000 cicles, millor que l'objectiu de 10.000 cicles. Les soldadures alleujades i els tubs llisos i polits van fer més de 15.000 cicles.

Per a la paret de 2,0 mm, la vida útil a la fatiga va ser superior a 20.000 cicles i no es van trobar errors fins a 25.000 cicles durant les proves. La paret més gruixuda equival a una amplitud de tensió cíclica reduïda perquè el gradient de temperatura a través d'una paret més gruixuda és menor per a la mateixa velocitat d'escalfament (la difusivitat tèrmica fixa, la paret més gran significa un ΔT més petit per unitat de gruix).

La vida a fatiga per a parets de 2,5 mm és superior a 30.000 cicles, superant amb escreix els requisits de les plataformes offshore comunes.

La relació segueix una llei de potència: cicles fins a la falla ~ (gruix de paret)^1,8 a 2,2. L'augment del gruix de la paret d'1,0 mm a 2,0 mm provoca un augment de 3,5-4,5 vegades de la vida a fatiga.

Acabat superficial i influència de la tensió residual
Però la vida a la fatiga no depèn únicament del gruix de la paret; l'estat de la superfície i l'estrès residual també tenen un paper important. Les proves de tubs d'1,65 mm de gruix de paret amb diferents poliment superficials mostren:

Tal com-estirat (acabat del molí, Ra 1,6-2,5 µm) 8.000-11.000 cicles (mediana 9.500)

Decapat (Ra 0,8-1,2 µm): 9.000-13.000 cicles (mediana 10.500)

Polit (Ra.2-4 µm): 11.000-15.000 cicles (mediana 13.000)

Els tubs tractats amb alleujament de l'estrès post-soldadura (540 graus durant 1 hora en argó) tenen una vida a la fatiga un 20-30% més llarga que els tubs tal com soldats. L'alleujament de tensió redueix les tensions de tracció residuals a les soldadures de 150-200 MPa a menys de 50 MPa, eliminant els llocs més comuns per a l'inici de les esquerdes per fatiga.

Matriu d'aplicació de tubs d'escalfador hidràulic offshore
Cicle tèrmic requisit Diàmetre exterior del tub Gruix de paret recomanat Acabat superficial Alleujament de tensió Cicles estimats a una fuita de forat-
25 mm 1,2 mm Decapat 5.000 cicles (vida mitjana de 5 anys, 2-3 cicles/dia) No es requereix De 5.000 a 8.000 cicles
10.000 cicles (disseny de 10 anys, 3 cicles/dia) 25 mm 1,65 mm Polit Recomanat per a soldadures 11.000-15.000 cicles
10.000 cicles (disseny de 10 anys) 25 mm 2,0 mm Decapat No necessari 15.000-20.000 cicles
20.000 cicles (20 anys de vida) 25 mm 2,0 mm Polit Necessari per a totes les soldadures 20.000-25.000 cicles
20.000 cicles (vida de 20 anys) 25 mm 2,5 mm Tal com es dibuixa No es requereix 25.000-30.000 cicles
Plataforma d'alta vibració (afegeix estrès cíclic mecànic) Afegiu 0,5 mm per sobre Qualsevol polit necessari Reduïu els cicles esperats en un 20-30%
Recomanacions per al servei de 10.000 cicles
El requisit de disseny per escalfar un fluid resistent al foc d'aigua-glicol 95/5 a 80oC per als sistemes hidràulics de plataforma en alta mar és de 10.000 cicles tèrmics (uns 10 anys amb 3 cicles per dia). Per a un tub de titani de grau 2, un acabat de superfície polit i soldadures alleujades, el gruix mínim de la paret és d'1,65 mm (BWG 14). Alternativament, un acabat decapat de paret de 2,0 mm sense alleujament de l'estrès ofereix una vida de fatiga equivalent o superior. Especificació recomanada:

Material: tub sense soldadura ASTM B338, titani grau 2

Gruix de la paret: min{0}},65 mm (BWG 14)

Diàmetre exterior: 25 mm (o segons sigui necessari per al disseny de l'escalfador)

Acabat superficial: Ra polit 0,4 µm màxim (interior i exterior)

Soldadures (si n'hi ha): GTAW de penetració completa amb recuit d'alliberament de tensió a 540 graus durant 1 hora

Corbes del tub: radi de corbat mínim 3x OD, corbes del mandril per evitar el debilitament de la paret

Per a instal·lacions noves on el pes no és una preocupació, la paret de 2,0 mm ofereix un marge addicional i elimina el requisit d'alleujament de tensió, cosa que facilita la fabricació. Si es produeixen fuites de forats als escalfadors actuals després de 5.000-7.000 cicles, un reemplaçament directe dels tubs estirats d'1,2 mm o 1,65 mm com a-són tubs polits d'1,65 mm amb soldadures alleujades.

Per a sistemes hidràulics amb més de 3 cicles/dia (p. ex. plataformes amb cicles de bomba ràpids per al control de la pressió) augmenteu el gruix de la paret en conseqüència: per a 5 cicles/dia (18.000 cicles durant 10 anys) especifiqueu un mínim de 2,0 mm de paret. Requereix documentació de l'acabat superficial (mesura Ra) en comprar. Requereix la certificació de recuit d'alleujament de tensió amb el gràfic de temps-temperatura per als productes soldats. Amb el gruix de la paret i l'estat de la superfície adequats, els tubs de titani de grau 2 sobreviuran a 10.000 cicles tèrmics sense fuites de forats al servei d'escalfadors hidràulics de plataforma offshore.