Em sistemas hidráulicos de plataforma offshore que aquecem fluidos resistentes- ao fogo (95/5 de água-glicol) a 80 graus, qual espessura da parede do tubo de titânio evita vazamentos após 10.000 ciclos térmicos?

Em plataformas offshore, fluidos{0}}resistentes ao fogo são usados ​​para minimizar o risco de incêndio em linhas hidráulicas de alta-pressão. Esses fluidos normalmente consistem em 95% de água e 5% de glicol (etileno ou propileno). Esses fluidos são usados ​​a 80 graus e são submetidos a ciclos térmicos regulares quando as bombas hidráulicas são ligadas e desligadas e conforme a temperatura ambiente muda entre as operações diurnas e noturnas. Tubos de titânio grau 2 são utilizados para aquecedores de fluidos hidráulicos devido à sua resistência à corrosão em misturas de água-glicol e alta relação resistência/peso. No entanto, um cenário de falha em particular, a trinca por fadiga térmica, resulta em vazamentos após repetidos ciclos de calor. A fadiga térmica, ao contrário da ruptura de pressão ou da corrosão uniforme, faz com que fissuras microscópicas se desenvolvam e cresçam através da parede do tubo sem qualquer adelgaçamento mensurável da parede. Este artigo apresenta a espessura mínima de parede necessária para que tubos de titânio Grau 2 suportem 10 000 ciclos térmicos entre 20 graus (ambiente) e 80 graus (operacional) sem vazamentos, com base em testes de fadiga e análise de elementos finitos.

Fadiga hidro-mecânica dos tubos de um aquecedor hidráulico
Um tubo aquecedor de titânio em um sistema de fluido hidráulico está sujeito a tensões térmicas cíclicas causadas pela expansão diferencial entre o tubo e o ambiente circundante. Quando o aquecedor está ligado, a parede do tubo é rapidamente aquecida de 20 graus a 80 graus (ΔT=60 graus). A parede interna em contato com o elemento de aquecimento aquece mais rapidamente do que a parede externa em contato com o fluido hidráulico. Os gradientes de temperatura através da parede causam tensões de compressão na superfície interna da parede e tensões de tração na superfície externa da parede. Esse ciclo é revertido quando o aquecedor é desligado. Cada ciclo de temperatura induz uma amplitude de deformação na parede do tubo.

Para um tubo típico de Grau 2, com diâmetro externo de 25 mm e parede de 1,65 mm, a deformação térmica por ciclo na parede externa está entre 0,08 e 0,12% (dependendo da taxa de aquecimento e da convecção do fluido). Isso está bem abaixo da tensão de escoamento do titânio (0,5-0,7%), portanto a deformação é elástica. Mas mesmo a tensão cíclica elástica leva ao acúmulo de danos por fadiga. Após ciclos suficientes, pequenas trincas formam núcleos em falhas superficiais, inclusões ou regiões de tensão residual (curvas de tubos, soldas, conexões de chapas de tubos). Essas rachaduras se desenvolvem transgranularmente e finalmente perfuram a parede para formar um vazamento. O fluido hidráulico vaza através de orifícios, produzindo perda de fluido e pressão.

Espessura da Parede vs. Vida em Fadiga
O teste de ciclo térmico controlado de tubos de titânio grau 2 (25 mm de diâmetro externo, várias espessuras de parede) em água-glicol (95/5) a 80 graus é apresentado com dados de resistência à fadiga. Os tubos foram aquecidos de 20 a 80 graus com uma taxa de 10 graus/min (semelhante aos aquecedores elétricos) e resfriados de 80 a 20 graus com uma taxa de 5 graus/min (convecção natural). Os ciclos foram continuados até que um vazamento de pinhole fosse encontrado pela queda de pressão.

Para espessura de parede de 1,0 mm (BWG 18) a vida à fadiga ficou na faixa de 2.000 a 4.000 ciclos. A falha ocorreu nas curvas dos tubos e nas zonas de solda nas quais as tensões residuais concentraram a deformação cíclica. Vazamentos pinhole apareceram sem qualquer afinamento aparente da parede.

Para a parede de 1,2 mm (BWG 16) a vida à fadiga foi aumentada para 4.000-7,000. 8.000 ciclos sem falha, mas a dispersão foi grande devido a variações no polimento superficial e na tensão residual.

A vida em fadiga foi de 8.000 a 15.000 ciclos para parede de 1,65 mm (BWG 14). A vida média foi de 11.000 ciclos, melhor que a meta de 10.000 ciclos. Soldas com alívio de tensão e tubos polidos e lisos completaram mais de 15.000 ciclos.

Para paredes de 2,0 mm, a vida à fadiga foi superior a 20.000 ciclos e nenhuma falha foi encontrada até 25.000 ciclos durante o teste. A parede mais espessa é igual à amplitude de deformação cíclica reduzida porque o gradiente de temperatura através de uma parede mais espessa é menor para a mesma taxa de aquecimento (difusividade térmica fixa, parede maior significa ΔT menor por unidade de espessura).

A vida útil em fadiga para paredes de 2,5 mm é superior a 30.000 ciclos, excedendo em muito os requisitos de plataformas offshore comuns.

A relação segue uma lei de potência: ciclos até a falha ~ (espessura da parede)^1,8 a 2,2. Aumentar a espessura da parede de 1,0 mm para 2,0 mm resulta em um aumento de 3,5 a 4,5 vezes na vida à fadiga.

Acabamento superficial e influência da tensão residual
Mas a vida à fadiga não depende apenas da espessura da parede; a condição da superfície e a tensão residual também desempenham um papel importante. Testes de tubos com espessura de parede de 1,65 mm com polimento de superfície variável mostram:

Conforme-desenhado (acabamento de fresagem, Ra 1,6-2,5 µm) 8.000-11.000 ciclos (mediana 9.500)

Decapado (Ra 0,8-1,2 µm): 9.000-13.000 ciclos (mediana 10.500)

Polido (Ra.2-4 µm): 11.000-15.000 ciclos (mediana 13.000)

Tubos tratados com alívio de tensão pós{0}}soldagem (540 graus por 1 hora em argônio) têm uma vida útil à fadiga 20-30% maior do que os tubos soldados. O alívio de tensões reduz as tensões residuais de tração nas soldas de 150-200 MPa para menos de 50 MPa, removendo os locais mais comuns para o início de trincas por fadiga.

Matriz de aplicação de tubos de aquecedor hidráulico offshore
Requisito de ciclo térmico Diâmetro externo do tubo Espessura de parede recomendada Acabamento superficial Alívio de tensãoCiclos estimados para um vazamento de-furo
25 mm 1,2 mm Decapado 5.000 ciclos (vida útil média de 5 anos, 2-3 ciclos/dia) Não é necessário 5.000 a 8.000 ciclos
10.000 ciclos (projeto de 10 anos, 3 ciclos/dia) 25 mm 1,65 mm Polido Recomendado para soldas 11.000-15.000 ciclos
10.000 ciclos (design de 10 anos) 25 mm 2,0 mm DecapadoNão necessário 15.000-20.000 ciclos
20.000 ciclos (20 anos de vida útil) 25 mm 2,0 mm Polido Necessário para todas as soldas 20.000-25.000 ciclos
20.000 ciclos (vida útil de 20 anos) 25 mm 2,5 mm Conforme desenho Não necessário 25.000-30.000 ciclos
Plataforma de alta vibração (adiciona tensão cíclica mecânica)Adicione 0,5 mm acima Qualquer polimento necessário Reduza os ciclos esperados em 20-30%
Recomendações para serviço de 10.000 ciclos
O requisito de projeto para aquecimento de fluido resistente ao fogo de água-glicol 95/5 a 80oC para sistemas hidráulicos de plataformas offshore é de 10.000 ciclos térmicos (cerca de 10 anos a 3 ciclos por dia). Para um tubo de titânio Grau 2, acabamento superficial polido e soldas com alívio de tensão, a espessura mínima da parede é 1,65 mm (BWG 14). Alternativamente, um acabamento decapado de parede de 2,0 mm sem alívio de tensão proporciona uma vida útil à fadiga equivalente ou superior. Especificação recomendada:

Material: Tubo sem costura ASTM B338, titânio grau 2

Espessura da parede: mín. 1,65 mm (BWG 14)

Diâmetro externo: 25 mm (ou conforme necessário para o projeto do aquecedor)

Acabamento de superfície: Ra polido 0,4 µm máx. (interno e externo)

Soldas (se houver): GTAW de penetração total com recozimento de liberação de tensão a 540 graus por 1 hora

Curvas do tubo: Raio mínimo de curvatura 3x DE, curvas do mandril para evitar o enfraquecimento da parede

Para novas instalações onde o peso não é uma preocupação, a parede de 2,0 mm proporciona alguma margem adicional e elimina a necessidade de alívio de tensões, o que facilita a fabricação. Se ocorrerem vazamentos em aquecedores atuais após 5.000{7}}7.000 ciclos, um substituto direto para os tubos-trefilados de 1,2 mm ou 1,65 mm são tubos polidos de 1,65 mm com soldas com alívio de tensão.

Para sistemas hidráulicos com mais de 3 ciclos/dia (por exemplo, plataformas com ciclos rápidos de bomba para controle de pressão) aumente a espessura da parede adequadamente: para 5 ciclos/dia (18.000 ciclos em 10 anos) especifique um mínimo de parede de 2,0 mm. Exigir documentação de acabamento superficial (medição Ra) no momento da compra. Exigir certificação de recozimento de alívio de tensão com gráfico de tempo{10}}temperatura para produtos soldados. Com a espessura de parede e condição de superfície corretas, os tubos de titânio grau 2 sobreviverão a 10.000 ciclos térmicos sem vazamentos em serviços de aquecedores hidráulicos de plataformas offshore.