オフショア プラットフォームの油圧システムで、-耐火性流体（95/5 水-）を 80 度で加熱する場合、10,000 回の熱サイクル後にピンホール リークを防ぐチタン チューブの壁の厚さはどれくらいですか?

海洋プラットフォームでは、高圧油圧ラインでの火災のリスクを最小限に抑えるために、{0}耐火性の流体が使用されています。{1}これらの液体は通常、95% の水と 5% のグリコール (エチレンまたはプロピレン) で構成されます。これらの流体は 80 度で使用され、油圧ポンプがオンまたはオフになるときや、昼と夜の動作で周囲温度が変化するときに、定期的な熱サイクルにさらされます。チタン グレード 2 チューブは、水{9}}混合物中での耐食性と高い強度対重量比により、作動油加温器に使用されます。ただし、特に熱疲労亀裂という故障シナリオでは、熱サイクルを繰り返すとピンホール漏れが発生します。熱疲労は、圧力破裂や均一腐食とは異なり、測定可能なほどの壁が薄くなることなく、管壁に微細な亀裂を発生させ、成長させます。この記事では、疲労試験と有限要素解析に基づいて、ピンホール漏れなく 20 度 (周囲温度) から 80 度 (動作時) の熱サイクルに耐えるグレード 2 チタンチューブに必要な最小肉厚を示します。{14}}

油圧-油圧ヒーターのチューブの機械疲労
作動油システム内のチタン ヒーター チューブは、チューブと周囲環境の間の膨張差によって引き起こされる周期的な熱応力にさらされます。ヒーターがオンになると、管壁は 20 度から 80 度 (ΔT=60 度) まで急速に加熱されます。発熱体と接触している内壁は、作動油と接触している外壁よりも早く加熱します。壁全体にわたる温度勾配により、壁の内面に圧縮応力が発生し、壁の外面に引張応力が発生します。ヒーターがオフになると、そのサイクルは逆になります。各温度サイクルにより、チューブ壁に歪み振幅が生じます。

外径 25 mm、壁厚 1.65 mm の一般的なグレード 2 チューブの場合、外壁での 1 サイクルあたりの熱ひずみは 0.08 ～ 0.12% です (加熱速度と流体の対流によって異なります)。これはチタンの降伏ひずみ (0.5 ～ 0.7%) よりもはるかに低いため、変形は弾性的になります。しかし、弾性周期応力であっても疲労損傷の蓄積につながります。十分なサイクルの後、表面の傷、介在物、または残留応力領域 (管の曲げ、溶接、管板の接続部) で小さな亀裂が核生成します。これらの亀裂は粒内に発達し、最終的には壁に穴を開けてピンホール漏れを形成します。作動油がピンホールから漏れ、流体と圧力が損失します。

肉厚と疲労寿命の関係
80 度の水-グリコール (95/5) 中でのグレード 2 チタン チューブ (外径 25 mm、さまざまな肉厚) の制御された熱サイクル試験が疲労寿命データとともに示されています。チューブは、10 度/分の速度で 20 度から 80 度まで加熱され (電気ヒーターと同様)、5 度/分の速度で 80 度から 20 度まで冷却されました (自然対流)。圧力低下によってピンホール漏れが見つかるまでサイクルを続けました。

壁厚 1.0 mm (BWG 18) の場合、疲労寿命は 2,000 ～ 4,000 サイクルの範囲でした。破壊は、残留応力によって周期ひずみが集中するチューブの曲げ部と溶接部で発生しました。壁の明らかな薄化は見られずに、ピンホール漏れが発生しました。

1.2 mm の壁 (BWG 16) の場合、疲労寿命は破損することなく 4,000-7,000. 8,000 サイクルまで延長されましたが、表面研磨と残留応力のばらつきによりばらつきが大きくなりました。

疲労寿命は、1.65 mm の壁 (BWG 14) で 8,000 ～ 15,000 サイクルでした。寿命の中央値は 11,000 サイクルで、目標の 10,000 サイクルを上回りました。応力を緩和した溶接と滑らかに磨かれたチューブにより、15,000 サイクル以上の耐久性を実現しました。

2.0 mm の壁の場合、疲労寿命は 20,000 サイクルを超え、テスト中に 25,000 サイクルまで故障は見つかりませんでした。壁が厚いと、同じ加熱速度の場合、壁全体の温度勾配が小さくなるため、周期ひずみ振幅が小さくなります（熱拡散率が固定されており、壁が大きいほど単位厚さあたりのΔTが小さくなります）。

2.5 mm 肉厚の疲労寿命は 30,000 サイクルを超え、一般的な海洋プラットフォームの要件をはるかに上回っています。

この関係はべき乗則に従います: 破損までのサイクル ~ (壁の厚さ)^1.8 ～ 2.2。肉厚を 1.0 mm から 2.0 mm に増やすと、疲労寿命が 3.5 ～ 4.5 倍長くなります。

表面仕上げと残留応力の影響
しかし、疲労寿命は肉厚だけに依存するわけではありません。表面状態と残留応力も重要な役割を果たします。さまざまな表面研磨を施した肉厚 1.65 mm のチューブのテストでは、次のことがわかりました。

- 絞りのまま（ミル仕上げ、Ra 1.6～2.5 µm） 8,000～11,000 サイクル（中央値 9,500）

酸洗い (Ra 0.8 ～ 1.2 μm): 9,000 ～ 13,000 サイクル (中央値 10,500)

研磨済み (Ra.2 ～ 4 µm): 11,000 ～ 15,000 サイクル (中央値 13,000)

溶接後の応力除去処理（アルゴン中 540 度で 1 時間）で処理されたチューブは、溶接直後のチューブよりも 20-30% 長い疲労寿命を持ちます。-応力緩和により、溶接部の残留引張応力が 150 ～ 200 MPa から 50 MPa 未満に減少し、疲労亀裂が発生する最も一般的な部位が除去されます。

オフショア油圧ヒーターチューブのアプリケーションマトリックス
熱サイクル要件 チューブ外径 推奨肉厚 表面仕上げ 応力緩和 ピンホール漏れまでの推定サイクル数-
25 mm 1.2 mm 酸洗い 5,000 サイクル (平均寿命 5 年、1 日あたり 2 ～ 3 サイクル) 不要 5000 ～ 8000 サイクル
10,000 サイクル (10 年間の設計、1 日あたり 3 サイクル) 25 mm 1.65 mm 研磨済み 溶接に推奨 11,000 ～ 15,000 サイクル
10,000 サイクル (10 年設計) 25 mm 2.0 mm 酸洗い不要 15,000 ～ 20,000 サイクル
20,000 サイクル (寿命 20 年) 25 mm 2.0 mm 研磨済み すべての溶接に必要 20,000 ～ 25,000 サイクル
20,000 サイクル (寿命 20 年) 25 mm 2.5 mm 図面通り 不要 25,000 ～ 30,000 サイクル
高振動プラットフォーム (機械的周期応力を追加) 上記に 0.5 mm を追加 研磨が必要 予想されるサイクルを 20 ～ 30% 削減
10,000 サイクルサービスの推奨事項
オフショアプラットフォーム油圧システム用に 95/5 水-グリコール耐火性流体を 80oC で加熱するための設計要件は、10,000 熱サイクル（1 日あたり 3 サイクルで約 10 年）です。グレード 2 チタン チューブ、研磨表面仕上げ、応力緩和溶接の場合、最小肉厚は 1.65 mm (BWG 14) です。あるいは、応力除去を行わない 2.0 mm 壁酸洗仕上げでも、同等以上の疲労寿命が得られます。推奨仕様：

材質: ASTM B338 シームレスチューブ、チタングレード 2

壁の厚さ: 最小. 1、65 mm (BWG 14)

外径: 25 mm (またはヒーター設計の必要に応じて)

表面仕上げ: 研磨仕上げ Ra 0.4 μm max (内側および外側)

溶接 (ある場合): 540 度で 1 時間の応力解放アニールを伴う完全溶け込み GTAW

チューブの曲げ: 最小曲げ半径 3x OD、マンドレルは壁の脆弱化を防ぐために曲げられます。

重量が問題にならない新規設置の場合、2.0 mm の壁により追加のマージンが得られ、応力緩和の必要性がなくなるため、製造が容易になります。現在のヒーターで 5,000-7,000 サイクル後にピンホール リークが発生した場合、1.2 mm または 1.65 mm の引抜きチューブの直接の代替品は、応力緩和溶接を備えた 1.65 mm の研磨チューブです。-

1 日あたり 3 サイクルを超える油圧システム (たとえば、圧力制御のための高速ポンプサイクルを備えたプラットフォーム) の場合は、それに応じて壁の厚さを増やします。1 日あたり 5 サイクル (10 年間で 18,000 サイクル) の場合は、最小壁厚 2.0 mm を指定します。購入時に表面仕上げ（Ra 測定）の文書が必要です。溶接製品の時間温度グラフによる応力除去焼きなましの認定が必要です。{10}適切な肉厚と表面状態を備えたグレード 2 チタン チューブは、オフショア プラットフォームの油圧ヒーター サービスにおいて、ピンホール漏れなく 10,000 回の熱サイクルに耐えることができます。