Warum funktioniert ein Titan-Tauchsieder mit polierter Schweißnaht (Spannungskonzentrationsfaktor)?<1.2) Outlast an As-Welded Joint (SCF >3) um den Faktor 5 in einem 90-Grad-Kathodenschutzsystem für Meerwasser?
Eine Nachricht hinterlassen
Titanheizungen in einem kathodischen 90-Grad-Meerwasserschutzsystem wurden durch Korrosion und Wasserstoffversprödung angegriffen. Der Schweißnahtbereich ist ein Bereich mit hoher Spannungskonzentration. Der SCF von Schweißverbindungen im Rohzustand beträgt 3{6}5 und von polierten Schweißnähten liegt er unter 1,2. Der größere SCF führt zu erhöhten Zugspannungen und damit zu einer erhöhten wasserstoffinduzierten Rissbildung und Ermüdungsrissbildung. Polieren zur Reduzierung des SCF erhöht die Lebensdauer um den Faktor 5. Die Verbesserung zeigt sich im Titanmantel und im Widerstandsdraht im Inneren.
Die Rolle des Spannungskonzentrationsfaktors bei der Ermüdungslebensdauer
Eine Schweißverbindung ist eine Kerbe, in der die Schweißnaht die aufgebrachten Spannungen und Restspannungen konzentriert. Die Schweißnahtspannung ergibt sich aus σ_max=SCF mal σ_nominal. Bei einem SCF von 4 für eine Schweißverbindung erzeugt eine Nennspannung von 50 MPa eine lokale Spannung von 200 MPa, was nahe an der Streckgrenze von Titan der Güteklasse 2 liegt. Mit SCF=1.2 für eine polierte Verbindung erzeugt die gleiche Nennspannung eine lokale Spannung von nur 60 MPa. Bei einem kathodischen Schutzsystem werden Wasserstoffatome auf der Oberfläche von Titan erzeugt. Die Zugspannung zieht den Wasserstoff an die Position der maximalen dreiachsigen Spannung am Schweißnahtübergang, wo sich die Hydride niederschlagen und Risse entstehen. Ein niedrigerer SCF reduziert die treibende Kraft für die Wasserstoffansammlung.
Ermüdungslebensdauer als Funktion des Schweißnahtzustands, quantitativ
Die Ermüdungslebensdauer von Schweißverbindungen aus Titan der Güteklasse 2 wurde aus kontrollierten zyklischen Belastungstests in 90 Grad warmem Meerwasser mit kathodischem Schutz bei -0,85 V vs. Ag/AgCl ermittelt. Die Lebensdauer einer Verbindung im Schweißzustand mit einer scharfen Kerbe (SCF 4-5) beträgt 10.000–30.000 Zyklen bis zum Beginn der Rissbildung. Für die Schweißverbindung mit durchschnittlicher Geometrie (SCF 3–4) betragen die Zyklen 20.000–50.000 und die relative Lebensdauer beträgt 1,5. Glatte, geschliffene Verbindung (SCF 1,5–2) 50.000–150,000 3.0 Für eine mechanisch polierte Verbindung (SCF 1,2–1,5) betragen die Zyklen 80.000–200.000 und die relative Lebensdauer beträgt 4,0. Für die elektropolierte Verbindung mit einem SCF von weniger als 1,2 betragen die Zyklen 150.000 bis 300.000 und die relative Lebensdauer beträgt das 5- bis 7-fache des Schweißzustands.
Einfluss des kathodischen Schutzpotenzials auf die SCF-Empfindlichkeit
Der Vorteil des Polierens steigt mit einem höheren negativen kathodischen Schutzpotential (mehr Schutz). Als-geschweißte Lebensdauer beträgt 100.000-200.000 Zyklen. Die polierte Lebensdauer beträgt 500.000-1.000.000 Zyklen. Das Lebensdauerverhältnis beträgt 5 bei -0,80 V vs. Ag/AgCl. Bei -0,85 V beträgt die Lebensdauer im geschweißten Zustand 30.000 bis 60.000 Zyklen, im polierten Zustand 150.000 bis 300.000 Zyklen und das Verhältnis beträgt immer noch 5. Die Lebensdauer im geschweißten Zustand bei -0,90 V beträgt 10.000 bis 20.000 Zyklen, die Lebensdauer im polierten Zustand beträgt 50.000 bis 100.000 Zyklen und das Verhältnis beträgt 5. Die Lebensdauer im geschweißten Zustand bei -0,95 V beträgt 5.000–10.000 Zyklen, die polierte Lebensdauer beträgt 25.000–50.000 Zyklen und das Verhältnis beträgt 5. Die 5-fache konsistente Verbesserung zeigt, dass das Polieren die Grundursache des Spannungskonzentrationsmechanismus unabhängig von der absoluten Lebensdauer bekämpft.
Leitfaden zur Schweißnahtbehandlung für kathodische Schutzdienste
Die folgende Tabelle enthält Empfehlungen für die Schweißnahtbearbeitung von Titanheizgeräten in kathodischen 90-Grad-Meerwasserschutzsystemen basierend auf den erwarteten zyklischen Lebensdaueranforderungen.
Erwartete Zyklen über die erforderliche Lebensdauer. SCF Empfohlene Schweißnahtoberfläche. Erwartete Ermüdungslebensdauer (Zyklen) im Verhältnis zum Schweißzustand<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
Die Ermüdungsbeständigkeit wird unabhängig vom SCF durch die Titansorte beeinflusst. Sorte 7 ist ähnlich empfindlich gegenüber SCF, weist jedoch aufgrund der Palladiumanreicherung eine höhere intrinsische Ermüdungsfestigkeit auf. Bei gegebener Belastung ist die Nennspannung abhängig von der Wandstärke. Eine Wand von 2,0 mm ergibt bei gleichem Biegemoment eine geringere Spannung als eine Wand von 1,0 mm. Die Form der Schweißnahtverstärkung muss berücksichtigt werden. Ein glatter Übergang (Radius > 3 mm) reduziert den SCF stärker als nur das Schleifen. Durch 30-minütiges Spannungsarmglühen bei 540 Grad nach dem Schweißen werden die Restspannungen um 60–80 % reduziert und die Ermüdungslebensdauer deutlich verbessert. Das kathodische Schutzpotential sollte auf -0,80 bis -0,85 V eingestellt werden, jedoch nicht negativer, um die Wasserstoffentwicklung zu minimieren.
Verfassen einer fundierten Spezifikation
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 bis<1.2 and increases the fatigue life by a factor of 5 in cathodically protected seawater.
