Hvilken sikkerhedsfaktor (2.0 vs. 3.0) er passende ved beregning af sprængtrykket af en titaniumvarmer til et hydraulisk kontrolsystem?

Når en hydraulikingeniør designer en titaniumvarmer til et hydraulisk højtrykskontrolsystem, såsom dem i flyaktuatorer, undersøisk udstyr eller tungt maskineri, skal beregningen af ​​sprængtrykket inkludere en sikkerhedsfaktor (SF) for at tage højde for variationer i materiale, fabrikationsfejl og serviceforhold. Sprængtrykket ( P burst ) af et tyndt-vægget titaniumrør er givet ved P burst=SF(2σ ult t/D), hvor σ ult er den ultimative trækstyrke (Klasse 2: 345 MPa), t er vægtykkelse og D er ydre diameter. For ikke-kritiske systemer, der inspiceres regelmæssigt, giver valg af SF=2.0 dig et sprængtryk, der er det dobbelte af det maksimale driftstryk. Til sikkerhedskritiske-systemer eller systemer med vibrationer, trykspidser eller korrosive forhold er den tredobbelte buffer nødvendig. Valg af SF=3.0 tillader dette. Den egnede SF er afhængig af konsekvenserne af svigt og driftsmiljøet.

Valg af sikkerhedsfaktorer for titanium trykkomponenter
Sikkerhedsfaktoren for sprængningstryk inkluderer seks faktorer, der ikke er inkluderet i den simple ringspændingsberegning: 1) variation i rørets vægtykkelse (sædvanligvis +/- 5-10 % af det nominelle), 2) ovale (uden-af-rundhed reducerer sprængningstrykket med 10-25 %), (3) reduktion af overfladefejl ved lokale styrker 20-50 %), 4) temperaturreduktion (styrken falder 10-20 % ved 100 grader vs. stuetemperatur), 5) træthed (cyklisk tryk reducerer levetiden) og 6) korrosionsgodtgørelse (vægudtynding over tid). Med en sikkerhedsfaktor på 2,0 (normalt for ikke-kritiske hydrauliske systemer) antager du, at disse variabler er velregulerede, og at systemet er rutinemæssigt inspiceret. En sikkerhedsfaktor på 3,0 (som det er sædvanligt for trykbeholdere i henhold til ASME Sektion VIII) forudsætter worst-case kombinationer af alle faktorer og ingen adgang til inspektion.

SF=2.0 versus SF=3.0 Burst Pressure Kvantificering for typiske rørstørrelser
Rør OD (mm)|Vægtykkelse (mm)|Maks. driftstryk (bar) ved SF=2.0|Maks. driftstryk (bar) ved SF=3.0 |Anbefalet anvendelse 12.7 1.0 108 72 Lavt tryk, ikke-kritisk 12.7 1.5 163 108 Moderat tryk
16.0 1.5 130 86 Generel hydraulisk 16.0 2.0 173 115 Højere tryk 20.0 1.5 104 69 Middeltryk, større flow
20.0 2.0 138 92 Generelt industrielt 20.0 2.5 173 115 Høj-hydraulisk 25.4 2.0 109 73 Undersøisk moderat tryk
25.4 2.5 136 91 Deep subsea, SF=3.0 25.4 3.0 163 109 Subsea, SF=3.0 nødvendig
Vejledning til valg af sikkerhedsfaktor baseret på scenarie
Anvendelse og konsekvenser af fejlTypisk arbejdstryk (bar) Anbefalet SF-begrundelse
Flyhydraulik linjevarmer (sikkerhed afgørende) 210-350 3.0-4.0 Fejl forårsager tab af kontrol. Skal have høj SF.
Undersøisk kontrolsystem (1500 m dybde, 150 bar ekstern) 200 (intern) 3,0 Eksternt tryk kan forårsage kollaps. 3.0 minimum API 17E SF=
Industriel hydraulisk presse (ikke-kritisk) 150-250 2.0 Periodisk inspektion. Fejl fører til nedetid, ikke sikkerhedsrisiko.
Landbrugsudstyr hydraulisk varmelegeme 100-200 2.0 Moderat konsekvens. SF=2.0 kriterier.
Mobilt maskineri (gravemaskine, læsser) 200-300 2.5 Vibrations- og stødbelastninger kræver mellemliggende SF .
Teststandsvarmer (intermitterende, overvåget) Op til 400 2.0 Overvåget øjeblikkelig nedlukning, hvis lækage opdages.
Søvandshydrauliksystem (ætsende) 100-150 3.0 Korrosionsgodtgørelse er nødvendig. SF=3.0 skyldtes vægudtynding.
High-cycle hydraulic system (>1 million cyklusser/år) Enhver 3.0+ træthedsanalyse SF=3.0 er ikke god til tunge cyklusser. Træthedsberegning af S-N-kurve påkrævet.
Tekniske faktorer, der øger den nødvendige sikkerhedsfaktor
Forøg sikkerhedsfaktoren til 3,0 eller højere, hvor en af ​​følgende situationer eksisterer. Svejset rør (anbefales til hydraulisk service) reducerer sprængtrykket med 20-40 % ved svejsesømmen. På grund af reduktionen i titaniumstyrke med 10-20 % over 80C driftstemperatur, bør SF justeres baseret på temperaturreduktionsfaktor. Trykcykler (større end 10.000 cyklusser/år) nødvendiggør træthedsanalyse. SF=3.0 er muligvis ikke nok. I korrosive omgivelser (havvand, syrer) bliver væggen tyndere med tiden, og SF skal tage hensyn til den forventede forringelse. Dynamiske sprængningsberegninger skal tage højde for yderligere belastninger på grund af vibrationer og mekaniske stød. For enhver kombination af disse parametre anbefales en designgennemgang med fuld finite element-analyse (FEA) og forudsigelse af træthedslevetid i stedet for at stole på sikkerhedsfaktor alene.

Konklusion: SF=3.0 for sikkerhed-kritisk, SF=2.0 for hydraulisk service ikke-kritisk
En sikkerhedsfaktor på 2,0 er ideel til ikke-kritiske applikationer, hvor varmeapparatsvigt blot ville føre til nedetid, og det hydrauliske kontrolsystem overvåges rutinemæssigt, f.eks. sprængtrykket af en titaniumvarmer i et hydraulisk kontrolsystem. Sikkerhedsfaktor på 3,0 nødvendig for sikkerhedskritiske-(fly, ubåd, højt-tryk) eller korrosive forhold, vibrationer eller trykcyklus. Der er stor forskel i driftstryk mellem SF=2.0 og SF=3.0. For eksempel kan et titaniumrør på 20 mm x 2,0 mm i diameter drives ved 138 bar med SF=2.0, men kun ved 92 bar med SF=3.0, en forskel på 33 %. Når der specificeres en titaniumvarmer til enhver hydraulisk applikation, skal det maksimale driftstryk, driftstemperatur, cyklisk drift og konsekvenserne af fejl oplyses til leverandøren for at tillade, at den korrekte sikkerhedsfaktor kan vælges og den korrekte vægtykkelse specificeret for at opfylde sikkerheds- og ydeevnekravene.