In einem kathodischen Schutzsystem mit 90-Grad-Meerwasser sind Titanheizgeräte sowohl Korrosionsangriffen als auch Wasserstoffversprödung ausgesetzt. Der Schweißnahtübergang ist ein Bereich mit hoher Spannungskonzentration. As-geschweißte Verbindungen haben einen Spannungskonzentrationsfaktor (SCF) von 3–5, während polierte Schweißnähte den SCF auf unter 1,2 reduzieren. Der höhere SCF verstärkt die Zugspannungen und fördert die wasserstoffinduzierte Rissbildung und die Entstehung von Ermüdungsrissen. Die Reduzierung des SCF durch Polieren verlängert die Lebensdauer um den Faktor 5. Die Verbesserung ist sowohl bei der Titanummantelung als auch beim darin befindlichen Widerstandsdraht zu beobachten.

Der Mechanismus des Einflusses des Stresskonzentrationsfaktors auf die Ermüdungslebensdauer

In einer Schweißverbindung fungiert der Schweißnahtübergang als Kerbe, die aufgebrachte Spannungen und Eigenspannungen konzentriert. Die effektive Spannung am Schweißnahtübergang beträgt σ_max=SCF × σ_nominal. Für eine -geschweißte Verbindung mit SCF=4 erzeugt eine Nennspannung von 50 MPa eine lokale Spannung von 200 MPa, was der Streckgrenze von Titan der Güteklasse 2 nahe kommt. Bei einer polierten Verbindung mit SCF=1.2 erzeugt die gleiche Nennspannung eine lokale Spannung von nur 60 MPa. Bei einem kathodischen Schutzsystem werden Wasserstoffatome an der Titanoberfläche erzeugt. Zugspannung zieht Wasserstoff in den Bereich maximaler dreiachsiger Spannung am Schweißnahtübergang, wo sich Hydride ausscheiden und Risse entstehen. Ein niedrigerer SCF verringert die treibende Kraft für die Wasserstoffansammlung.

Quantitative Ermüdungslebensdauer als Funktion des Schweißnahtzustands

Kontrollierte zyklische Belastungstests in 90-Grad-Meerwasser mit kathodischem Schutz bei -0,85 V gegenüber Ag/AgCl haben die folgenden Ermüdungslebensdauern für Titanschweißverbindungen der Güteklasse 2 ermittelt. Für eine Verbindung im Schweißzustand mit einer scharfen Kerbe (SCF 4–5) betragen die Zyklen bis zur Rissbildung 10.000–30.000 und die Lebensdauer im Vergleich zum Schweißzustand beträgt 1,0. Für eine Schweißverbindung mit durchschnittlicher Geometrie (SCF 3–4) betragen die Zyklen 20.000–50.000 und die relative Lebensdauer 1,5. Für eine geschliffene glatte Verbindung (SCF 1,5–2) betragen die Zyklen 50.000–150.000 und die relative Lebensdauer beträgt 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. Bei einer elektropolierten Verbindung mit einem SCF unter 1,2 betragen die Zyklen 150.000–300.000 und die relative Lebensdauer beträgt das 5–7-fache der Lebensdauer im geschweißten Zustand.

Einfluss des kathodischen Schutzpotenzials auf die SCF-Empfindlichkeit

Der Nutzen des Polierens steigt, je negativer (schützender) das kathodische Schutzpotential wird. Bei -0,80 V vs. Ag/AgCl beträgt die Lebensdauer im geschweißten Zustand 100.000–200.000 Zyklen, die Lebensdauer im polierten Zustand 500.000–1.000.000 Zyklen und das Lebensdauerverhältnis 5. Bei -0,85 V beträgt die Lebensdauer im geschweißten Zustand Bei einer Lebensdauer von ca. 30.000–60.000 Zyklen beträgt die Polierlebensdauer 150.000–300.000 Zyklen und das Verhältnis bleibt 5. Bei -0,90 V beträgt die Lebensdauer im geschweißten Zustand 10.000–20.000 Zyklen, die Polierlebensdauer beträgt 50.000–100.000 Zyklen und das Verhältnis beträgt 5. Bei -0,95 V beträgt die Die Lebensdauer im geschweißten Zustand beträgt 5.000–10.000 Zyklen, die polierte Lebensdauer beträgt 25.000–50.000 Zyklen und das Verhältnis beträgt 5. Die konsistente 5-fache Verbesserung zeigt, dass das Polieren den grundlegenden Spannungskonzentrationsmechanismus unabhängig von der absoluten Lebensdauer angeht.

Leitfaden zur Schweißnahtbearbeitung für den kathodischen Schutz

Die folgende Tabelle enthält Empfehlungen für die Schweißnahtbearbeitung von Titanheizgeräten in kathodischen 90-Grad-Meerwasserschutzsystemen, basierend auf den erwarteten zyklischen Lebensdaueranforderungen.

Engineering über die Endbearbeitung von Schweißnähten hinaus

Die Titansorte beeinflusst die Ermüdungsbeständigkeit unabhängig vom SCF. Klasse 7 hat eine ähnliche SCF-Empfindlichkeit, aber aufgrund der Palladiumanreicherung eine höhere intrinsische Ermüdungsfestigkeit. Die Wandstärke beeinflusst die Nennspannung für eine gegebene Belastung; Eine 2,0-mm-Wand hat bei gleichem Biegemoment eine geringere Spannung als eine 1,0-mm-Wand. Die Form der Schweißnahtverstärkung ist wichtig; Ein glatter Übergang mit einem Radius von mehr als 3 mm reduziert den SCF stärker als alleiniges Schleifen. Durch 30-minütiges Spannungsarmglühen bei 540 Grad nach dem Schweißen werden die Restspannungen um 60–80 % reduziert, was die Ermüdungslebensdauer weiter verbessert. Das kathodische Schutzpotential sollte auf -0,80 bis -0,85 V und nicht negativer geregelt werden, um die Wasserstoffentwicklung zu minimieren.

Erstellen einer fundierten Spezifikation

For a titanium immersion heater in 90°C seawater cathodic protection service, specify that all weld toes be electropolished to achieve a stress concentration factor below 1.2. Require profilometer measurements to verify that the weld toe radius exceeds 3 mm. For existing heaters with as-welded joints, add a stress relief anneal and grind the weld toes smooth. During operation, inspect the weld area annually using dye penetrant; if cracks are detected, regrind and repolish. By reducing the stress concentration factor from >3 bis<1.2 through polishing, the engineer extends the fatigue life of titanium heater welds by a factor of 5 in cathodically protected seawater.