I et 90 graders havvands katodisk beskyttelsessystem er titaniumvarmere udsat for både korrosivt angreb og brintskørhed. Svejsetåen er et område med høj belastningskoncentration. Da -svejsede samlinger har en stresskoncentrationsfaktor (SCF) på 3-5, mens polerede svejsetæer reducerer SCF til under 1,2. Den højere SCF forstærker trækspændinger og fremmer hydrogen-induceret revnedannelse og udmattelsesrevnestart. Reduktion af SCF ved polering forlænger levetiden med en faktor på 5. Forbedringen observeres i både titaniumkappen og modstandstråden indeni.

Mekanismen for stresskoncentrationsfaktorens indflydelse på træthedslivet

I en svejset samling fungerer svejsetåen som et hak, der koncentrerer påførte og resterende spændinger. Den effektive spænding ved svejsetåen er σ_max=SCF × σ_nominal. For en som-svejset samling med SCF=4 giver en nominel spænding på 50 MPa en lokal spænding på 200 MPa, der nærmer sig flydespændingen for grad 2 titanium. For en poleret samling med SCF=1.2 giver den samme nominelle spænding en lokal spænding på kun 60 MPa. I et katodisk beskyttelsessystem dannes brintatomer ved titaniumoverfladen. Trækspænding trækker brint til området med maksimal triaksial spænding ved svejsetåen, hvor hydrider udfældes og revner starter. Lavere SCF reducerer drivkraften for brintakkumulering.

Kvantitativt træthedsliv som en funktion af svejsetåtilstand

Kontrolleret cyklisk belastningstest i 90 graders havvand med katodisk beskyttelse ved -0,85 V vs. Ag/AgCl har etableret følgende udmattelseslevetider for grad 2 titanium svejsesamlinger. For en som-svejset samling med et skarpt hak (SCF 4-5), er cyklusserne til revneinitiering 10.000-30.000, og levetiden i forhold til som-svejset er 1,0. For en som-svejset samling med gennemsnitlig geometri (SCF 3-4) er cyklusserne 20.000-50.000, og den relative levetid er 1,5. For en slebet glat samling (SCF 1,5-2) er cyklusserne 50.000-150.000, og den relative levetid er 3,0. For en mekanisk poleret samling (SCF 1,2–1,5) er cyklusserne 80.000–200.000, og den relative levetid er 4,0. For en elektropoleret samling med SCF under 1,2 er cyklusserne 150.000-300.000, og den relative levetid er 5-7 gange så lang som den svejsede tilstand.

Indflydelse af katodisk beskyttelsespotentiale på SCF-følsomhed

Fordelen ved polering øges, efterhånden som det katodiske beskyttelsespotentiale bliver mere negativt (mere beskyttende). Ved -0,80 V vs. Ag/AgCl er den as-svejsede levetid 100.000-200.000 cyklusser, den polerede levetid er 500.000-1.000.000 cyklusser, og levetidsforholdet er 5. Ved {{23},7 er as. 30.000–60.000 cyklusser, den polerede levetid er 150.000–300.000 cyklusser, og forholdet forbliver 5. Ved -0,90 V er den svejsede levetid 10.000–20.000 cyklusser, den polerede levetid er 50,00,0,0 er 50,00,0,0. Ved -0,95 V er den svejsede levetid 5.000-10.000 cyklusser, den polerede levetid er 25.000-50.000 cyklusser, og forholdet er 5. Den konsekvente forbedring på 5x indikerer, at polering adresserer den fundamentale spændingskoncentrationsmekanisme uafhængigt af den absolutte levetid.

Svejsetå-afslutningsvejledning til katodisk beskyttelsestjeneste

Følgende tabel giver anbefalinger til svejsetåfinish til titaniumvarmere i 90 graders havvands katodiske beskyttelsessystemer baseret på forventede cykliske levetidskrav.

Engineering Beyond Weld Toe Finishing

Titanium-kvaliteten påvirker træthedsmodstand uafhængigt af SCF. Grad 7 har lignende SCF-følsomhed, men højere iboende træthedsstyrke på grund af palladiumberigelse. Vægtykkelsen påvirker den nominelle spænding for en given belastning; en 2,0 mm væg har lavere spænding end en 1,0 mm væg for samme bøjningsmoment. Svejsearmeringsformen har betydning; en jævn overgang med en radius større end 3 mm reducerer SCF mere end slibning alene. Efter-afspændingsudglødning ved 540 grader i 30 minutter reducerer resterende spændinger med 60-80 %, hvilket yderligere forbedrer udmattelseslevetiden. Det katodiske beskyttelsespotentiale bør kontrolleres til -0,80 til -0,85 V, ikke mere negativt, for at minimere brintudvikling.

Udarbejdelse af en informeret specifikation

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