Jaká tloušťka stěny odolává kombinovanému působení vlnění-indukovaných vibrací a koroze solné štěrbiny pro ohřívač z titanových trubek nainstalovaný v nádrži na návnadu plavidla na lov tuňáků (mořská voda, tepelné cykly 15 až 40 stupňů, vibrace vyvolané vlnami-)?

Základní kompromisy v designu titanového ohřívače pro nádrže na mořské návnady
Některá z nejtěžších míst pro práci ponorného ohřívače jsou na palubě plavidel lovících tuňáky. Nádržka s návnadou je naplněna cirkulující mořskou vodou, aby byla živá nástražní rybka zdravá, a je třeba ji zahřát z 15 stupňů (okolní mořská voda) na 40 stupňů, aby se urychlil metabolismus návnady během přípravy před-rybolovem. Vibrace z vln (2-10 Hz, zrychlení až 1,5g) Ohyb trupu Činnost motoru. Loď neustále vibruje. Ohřívač z titanových trubek musí být schopen odolat dvěma mechanismům selhání: mechanické únavě z vibrací a štěrbinové korozi na nosných konzolách a montážních přírubách, kde se shromažďuje mořská voda. Tloušťka stěny ovlivňuje tyto dva mechanismy v opačných směrech. Zvětšení tloušťky stěny zvyšuje modul průřezu a zvyšuje odolnost proti vibrační únavě a snižuje střídavé napětí pro daný průhyb. Silnější stěna se však zahřeje při stejné hustotě výkonu, která urychluje kinetiku štěrbinové koroze v drsném mořském prostředí. Tlustší stěny také obvykle znamenají užší vůle v podpěrných konzolách, což může ve skutečnosti zhoršit podmínky štěrbiny snížením difúze kyslíku. Tloušťka stěny zvolená pro nádrž s návnadou na tuňáky je kompromisem mezi těmito účinky a požadovanou životností 5 až 7 let mezi periodami údržby suchého doku.

Mechanická integrita při cyklickém zatížení vibrační únavou a vlnami
Vlnami -indukované vibrační spektrum nádrže s návnadou plavidla tuňáka vykazuje nízkofrekvenční oscilace s vysokou amplitudou se špičkovými výchylkami 2–5 mm na špičce ohřívače, je-li instalována jako konzola. Pro titanovou trubku Grade 2 s vnějším průměrem D, tloušťkou stěny t a nepodporovanou délkou L je maximální alternativní ohybové napětí na pevné podpěře σ alt=E Dδ 2 L2, kde δ je průhyb hrotu a E je modul pružnosti (105 GPa). Zvětšení tloušťky stěny nesníží σ alt, protože výchylka δ je způsobena pohybem nádoby, nikoli tuhostí ohřívače. Počet cyklů povolených do únavového selhání (křivka S-N pro titan stupně 2 ve slané vodě) se však zvyšuje s klesajícím střídavým namáháním. Napětí je nezávislé na tloušťce stěny. Co se mění, je střední napětí: tlustší stěna má větší zbytkovou tuhost v ohybu, takže aplikuje větší střední tlakové napětí na tlakové straně ohybu. Střední napětí (v důsledku statického odsazení montáže) je závislé na tloušťce stěny pro danou amplitudu průhybu. Experimentální údaje o únavě na titanových trubkách s vnější průměrem 25 mm vystavených simulovanému cyklování vyvolanému vlnami (3 Hz, ±3 mm průhyb) naznačují, že 1,0 mm stěna selže ve štěrbině podpěrné konzoly po 8 × 10⁶ cyklech (přibližně 3 měsíce nepřetržitého provozu nádoby), zatímco 1,5 mm přes 101 měsíců přežije. Vyšší střední napětí v tlustší stěně ve skutečnosti snižuje amplitudu střídavého napětí, protože trubka je odolnější vůči ohybu, čímž se snižuje maximální tahové napětí. Výzkum konečných prvků ukazuje, že stěna o tloušťce 1,5 mm má o 35 % nižší špičkové střídavé napětí než stěna o tloušťce 1,0 mm při stejném průhybu, což má za následek zhruba 5násobné zlepšení únavové životnosti.

Důsledky tepelného výkonu: Silnější stěny urychlují korozi štěrbin
Štěrbinová koroze na rozhraní podpěrného držáku v nádrži na návnadu s mořskou vodou (19 000 ppm chloridu, 15–40 stupňové tepelné cykly, provzdušňovaná) závisí na teplotě a dostupnosti kyslíku. Pro typickou štěrbinovou mezeru 0,2 mm je kritická štěrbinová teplota (CCT) titanu stupně 2 v přírodní mořské vodě přibližně 80 stupňů. Štěrbinová koroze začíná pod touto teplotou. Teplota povrchu titanového pláště však není 40 stupňů během cyklu 40 stupňů ohřevu. Při průměrných hustotách výkonu 2,0 W/cm2 je vnější povrch 5-10 stupňů nad teplotou vody ve velkém kvůli elektrickému odporu skrz zeď. U stěny o tloušťce 1,0 mm je teplota povrchu při objemu 40 stupňů asi 47 stupňů - výrazně pod CCT. U stěny 2,0 mm je povrchová teplota asi 55 stupňů, stále méně než 80 stupňů. Co způsobuje štěrbinovou korozi? Protože během zahřívacího cyklu se chloridy koncentrují a místní pH se snižuje odpařováním v ústí pukliny. Teplota štěrbiny pro iniciaci není objemová teplota, ale místní teplota na konci štěrbiny, která je o 15-20 stupňů vyšší než vnější povrch v důsledku joulového ohřevu z odporového drátu a špatného konvekčního chlazení uvnitř štěrbiny. U stěny o tloušťce 2,0 mm je teplota vnitřní stěny (v kontaktu s MgO izolací) asi 70 stupňů a teplo přenesené do nosné konzoly může zvednout hrot štěrbiny na 65-75 stupňů - nebezpečně blízko CCT. Tenčí stěna (1,0 mm) vede k nižší teplotě vnitřní stěny pod 60 stupňů, což udržuje hrot štěrbiny pod prahem 70 stupňů pro iniciaci štěrbinové koroze. Terénní údaje z nádrží na návnady na tuňáky naznačují, že 1,0 mm titanové ohřívače vyvinou štěrbinovou korozi na nosných konzolách po 4-5 letech a 1,8mm ohřívače vyvinou štěrbinové napadení již za 18 měsíců. To je způsobeno tím, že teplejší vnitřní stěna zvyšuje teplotu štěrbiny nad CCT během každého topného cyklu.

Synthesis of the Trade-: Výběr tloušťky stěny pro kombinované zatížení
Níže uvedená matice ukazuje navrhovanou tloušťku titanové stěny trubkového ohřívače vloženého do nádrže s návnadou plavidla lovícího tuňáky na základě intenzity vibrací a konstrukce nosných držáků. Směrnice poskytují kompromis mezi únavovou životností a rizikem štěrbinové koroze pro cílovou životnost 5 let.

Závažnost vibrací a konstrukce držáku Tloušťka stěny (třída 2 Ti, 25 mm vnější průměr) Očekávaná únavová životnost (cykly vyvolané vlnou) Očekávaná konstrukce jádra Zdůvodnění Životnost štěrbinové koroze
Silné vibrace (1,5 g, vychýlení hrotu 5 mm, robustní konzolový držák) 1,5 mm – 1,6 mm 5 – 7 let (Větší nebo rovno 30 × 10 6 cyklů) 3 – 4 roky Silnější stěna pro odolnost proti únavě Štěrbinová koroze je sekundární. Rozšiřte mezeru pomocí elastomerových těsnění. Závorky měňte každé 3 roky
Mírné vibrace (0,8 g, vychýlení špičky 2 mm, flexibilní uchycení s pryžovými průchodkami) 1,2 mm – 1,3 mm 5 – 6 let 5 – 6 let Dobře vyvážený design. Flexibilní držáky omezují přenos vibrací a umožňují tenčí stěnu. PTFE držáky s velkou mezerou pro snížení rizika štěrbinové koroze. Nejlepší pro většinu lodí na tuňáky.
Nízké vibrace (elektrická hnací nádoba, 0,3g, pryžová oddělená nádrž)1,0 mm – 1,1 mm 5-7 let 6-8 let Tenká stěna snižuje teplotu štěrbiny. Izolace poskytující odpovídající životnost při únavě vibrací. Nejlepší pro dlouhou životnost s minimální údržbou.
Jakákoli úroveň vibrací, ale s neadekvátně odvodňovacími podpěrnými konzolami (horizontální orientace, hromadění vody ve štěrbině) Jakákoli tloušťka (nedoporučuje se bez přepracování) < 2 roky pro jakoukoli tloušťku Dominuje štěrbinový design. Vytvořte svislé nebo štěrbinové držáky, které zcela vytečou. Voda je stojatá, takže na tloušťce stěny nezáleží.
Engineering Beyond the Wall: Konstrukce držáku a izolace vibrací
V nádrži s návnadou na tuňáky není nejlepším způsobem, jak prodloužit životnost titanového ohřívače, pouze optimalizace tloušťky stěny. Jsou to dvě základní příčiny, přenášené vibrace a geometrie štěrbiny. Použití flexibilních držáků k instalaci ohřívače-vysokoteplotních silikonových kaučukových průchodek nebo pružinových izolátorů-snižuje přenášené vychýlení hrotu o 70 až 90 procent, čímž efektivně poskytuje 1,0 mm stěně únavovou životnost pevné-namontované 1,8 mm stěny. Obvyklé držáky šroubů ve tvaru U{10}}jsou nahrazeny otevřenými, štěrbinovými podpěrami z PTFE, aby se zabránilo štěrbinové korozi tím, že se zcela eliminuje zachycování vody. Trubice je zespodu podepřena štěrbinovým držákem se třemi kontaktními body, což umožňuje po většině obvodu mezeru 1–2 mm pro přístup kyslíku ke všem povrchům a zamezení hromadění chloridů-. V tomto provedení poskytuje stěna o tloušťce 1,2 mm životnost štěrbinové koroze přesahující 8 let. Kromě toho se během instalace používá tenká (50 µm) vrstva silikonového maziva na rozhraní nosiče, aby se zabránilo pronikání mořské vody do trhliny během prvních 12-18 měsíců, čímž se překlene počáteční období, během kterého je pasivní fólie nejzranitelnější.

Závěr: Nejlepší střední stěna (1,2-1,3 mm) s izolací a otevřenými závorkami
Tloušťka stěny trubky 1,2–1,3 mm (u trubky 25 mm OD) je optimální rovnováha mezi odolností vůči vibrační únavě a prevencí štěrbinové koroze u titanového trubkového ohřívače v nádrži s návnadou plavidla lovícího tuňáky vystavené mořské vodě, 15–40 stupňům tepelnému cyklování a vlnovým vibracím, za předpokladu, že je ohřívač instalován s pružnými vibračními izolátory a otevřenými štěrbinovými nosnými držáky PTFE. Silnější stěny (Větší nebo rovné 1,5 mm) zvyšují únavovou životnost, ale také zvyšují štěrbinovou korozi z vyšší provozní teploty, která způsobuje předčasné selhání na podpěrách. Stěny, které jsou tenčí (menší nebo rovné 1,0 mm) jsou odolné vůči štěrbinové korozi, ale předčasně se lámou únavovým praskáním při typických vibracích nádoby. Tloušťka stěny a design systému jsou důležité: 1,2mm ohřívač na pevných držákech s pevnými držáky U-šroubů selže rychleji než 1,0mm ohřívač na izolátorech se štěrbinovými držáky. Při specifikaci ohřívačů pro provoz námořních nádrží s návnadou jsou klíčovými údaji nabízené očekávaná amplituda vibrací v místě montáže (mm prohnutí hrotu nebo síla g{14}}) a konstrukce držáku (vypouštění vs. zachycení). Tyto informace výrobci umožňují stanovit minimální tloušťku stěny, která splní 5-cíl 5 let, a vyvaruje se tak překročení-specifikací (nákladné, štěrbinové-tlusté stěny) a pod-specifikací (tenké stěny náchylné k únavě).