V 90stupňovém systému katodové ochrany mořské vody jsou titanové ohřívače vystaveny jak korozivnímu působení, tak vodíkovému křehnutí. Špička svaru je oblast s vysokou koncentrací napětí. Jak-svařované spoje mají faktor koncentrace napětí (SCF) 3–5, zatímco leštěné svarové špičky snižují SCF pod 1,2. Vyšší hodnota SCF zesiluje tahová napětí, podporuje vodíkem-indukované trhliny a iniciaci únavových trhlin. Snížení SCF leštěním prodlužuje životnost o faktor 5. Zlepšení je pozorováno jak u titanového pláště, tak u vnitřního odporového drátu.

Mechanismus vlivu faktoru koncentrace stresu na únavový život

Ve svarovém spoji působí špička svaru jako vrub, který soustřeďuje aplikovaná a zbytková napětí. Efektivní napětí ve špičce svaru je σ_max=SCF × σ_nominal. Pro-svařovaný spoj s SCF=4 vytváří nominální napětí 50 MPa místní napětí 200 MPa, které se blíží meze kluzu titanu třídy 2. Pro leštěný spoj s SCF=1.2 vytváří stejné jmenovité napětí lokální napětí pouze 60 MPa. V systému katodové ochrany se na povrchu titanu generují atomy vodíku. Tahové napětí přitahuje vodík do oblasti maximálního tříosého napětí na špičce svaru, kde dochází k vysrážení hydridů a vzniku trhlin. Nižší SCF snižuje hnací sílu pro akumulaci vodíku.

Kvantitativní únavová životnost jako funkce stavu špičky svaru

Kontrolované cyklické zatěžovací zkoušky v 90stupňové mořské vodě s katodovou ochranou při -0,85 V vs. Ag/AgCl stanovily následující životnost pro titanové svarové spoje stupně 2. U svařovaného spoje s ostrým vrubem (SCF 4–5) jsou cykly do iniciace trhliny 10 000–30 000 a životnost ve vztahu ke svaru je 1,0. Pro svařovaný spoj s průměrnou geometrií (SCF 3–4) jsou cykly 20 000–50 000 a relativní životnost je 1,5. Pro broušený hladký spoj (SCF 1,5–2) jsou cykly 50 000–150 000 a relativní životnost je 3,0. U mechanicky leštěného spoje (SCF 1,2–1,5) jsou cykly 80 000–200 000 a relativní životnost je 4,0. U elektrolyticky leštěného spoje s SCF pod 1,2 jsou cykly 150 000–300 000 a relativní životnost je 5–7krát delší než ve stavu po svařování.

Vliv potenciálu katodové ochrany na citlivost SCF

Přínos leštění se zvyšuje, když se potenciál katodové ochrany stává zápornějším (více chrání). Při -0,80 V vs. Ag/AgCl je životnost při svařování 100 000–200 000 cyklů, životnost leštění je 500 000–1 000 000 cyklů a poměr životnosti je 5. Při -životnosti při svařování je 0,85{3 V 30 000–60 000 cyklů, leštěná životnost je 150 000–300 000 cyklů a poměr zůstává 5. Při -0,90 V je životnost po svařování 10 000–20 000 cyklů, životnost leštěná je 50 000–1000 cyklů a poměr -000,5 cyklů V.5. životnost po svařování je 5 000–10 000 cyklů, životnost leštěného 25 000–50 000 cyklů a poměr je 5. Konzistentní 5× zlepšení ukazuje, že leštění řeší základní mechanismus koncentrace napětí nezávisle na absolutní životnosti.

Průvodce dokončováním špičky svaru pro službu katodové ochrany

Následující tabulka poskytuje doporučení pro konečnou úpravu špičky svaru pro titanové ohřívače v 90stupňových systémech katodové ochrany mořské vody na základě očekávaných požadavků na cyklickou životnost.

Engineering Beyond Weld Toe Finish

Třída titanu ovlivňuje odolnost proti únavě nezávisle na SCF. Stupeň 7 má podobnou citlivost SCF, ale vyšší vnitřní únavovou pevnost v důsledku obohacení palladiem. Tloušťka stěny ovlivňuje jmenovité napětí pro dané zatížení; 2,0 mm stěna má nižší napětí než 1,0 mm stěna pro stejný ohybový moment. Na tvaru výztuže svaru záleží; hladký přechod s poloměrem větším než 3 mm snižuje SCF více než samotné broušení. Žíhání po-odlehčení pnutí po svařování při 540 stupních po dobu 30 minut snižuje zbytková pnutí o 60–80 % a dále zvyšuje únavovou životnost. Potenciál katodové ochrany by měl být řízen na -0,80 až -0,85 V, ne více negativní, aby se minimalizoval vývoj vodíku.

Vytvoření informované specifikace

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 až<1.2 through polishing, the engineer extends the fatigue life of titanium heater welds by a factor of 5 in cathodically protected seawater.