90 度の海水陰極防食システムでは、チタン ヒーターは腐食と水素脆化の両方の影響を受けます。溶接止端は応力が集中する領域です。 - 溶接継手の応力集中係数 (SCF) は 3 ～ 5 ですが、研磨された溶接止端部では SCF が 1.2 未満に減少します。 SCF が高くなると引張応力が増幅され、水素-による亀裂や疲労亀裂の発生が促進されます。研磨によって SCF を削減すると、耐用年数が 5 倍に延長されます。改善はチタン シースと内部の抵抗線の両方で観察されます。

応力集中因子が疲労寿命に与える影響のメカニズム

溶接継手では、溶接止端は適用応力と残留応力を集中させるノッチとして機能します。溶接止端部の有効応力は σ_max=SCF × σ_nominal です。 SCF=4 を使用した-溶接接合部の場合、公称応力 50 MPa により局所応力 200 MPa が発生し、グレード 2 チタンの降伏強度に近づきます。 SCF=1.2 を使用した研磨接合の場合、同じ公称応力によって生じる局所応力はわずか 60 MPa です。陰極防食システムでは、チタン表面に水素原子が生成されます。引張応力によって水素が溶接止端の最大三軸応力領域に引き込まれ、そこで水素化物が析出し、亀裂が発生します。 SCF が低いと、水素蓄積の駆動力が減少します。

溶接止端状態の関数としての定量的疲労寿命

-0.85 V vs. Ag/AgCl の陰極防食を施した 90 度の海水中での制御された繰り返し荷重試験により、グレード 2 のチタン溶接継手の次の疲労寿命が確立されました。鋭いノッチのある-溶接されたままの継手（SCF 4～5）の場合、亀裂が発生するまでのサイクルは 10,000～30,000 回で、-溶接されたままの状態と比較した寿命は 1.0 です。平均的な形状（SCF 3～4）の溶接されたままの継手の場合、サイクルは 20,000～50,000 回で、相対寿命は 1.5 です。研削平滑ジョイント (SCF 1.5 ～ 2) の場合、サイクルは 50,000 ～ 150,000 回で、相対寿命は 3.0 です。機械的に研磨されたジョイント (SCF 1.2 ～ 1.5) の場合、サイクルは 80,000 ～ 200,000 回で、相対寿命は 4.0 です。 SCF が 1.2 未満の電解研磨された接合部の場合、サイクルは 150,000 ～ 300,000 回で、相対寿命は溶接されたままの状態の 5 ～ 7 倍になります。

SCF感度に対する陰極防食電位の影響

陰極防食電位がより負になるほど (より保護的になり)、研磨の利点は増加します。 -0.80 V 対 Ag/AgCl では、-溶接ままの寿命は 100,000～200,000 サイクル、研磨寿命は 500,000～1,000,000 サイクルで、寿命比は 5 です。-0.85 V では、-溶接のままの寿命は次のようになります。 30,000 ～ 60,000 サイクル、研磨寿命は 150,000 ～ 300,000 サイクル、比率は 5 のままです。 -0.90 V では、溶接後の寿命は 10,000 ～ 20,000 サイクル、研磨寿命は 50,000 ～ 100,000 サイクルで、比率は 5 です。 -0.95 V では、溶接後の寿命は 5,000 ～ 10,000 サイクル、研磨寿命は 25,000 ～ 50,000 サイクルで、その比率は 5 です。一貫した 5 倍の改善は、研磨が絶対寿命とは無関係に基本的な応力集中メカニズムに対処していることを示しています。

陰極防食サービスの溶接止端仕上げガイド

次の表は、予想されるサイクル寿命要件に基づいた、90 度海水陰極防食システムにおけるチタン ヒーターの溶接止端仕上げの推奨事項を示しています。

溶接止端仕上げを超えたエンジニアリング

チタンのグレードは、SCF とは関係なく耐疲労性に影響します。グレード 7 は同様の SCF 感度を持ちますが、パラジウムが豊富であるため固有疲労強度が高くなります。壁の厚さは、特定の荷重に対する公称応力に影響します。同じ曲げモーメントに対して、2.0 mm の壁は 1.0 mm の壁よりも応力が低くなります。溶接補強の形状が重要です。半径 3 mm を超える滑らかな移行により、研削のみよりも SCF が削減されます。 -溶接後の応力除去焼鈍を 540 度で 30 分間行うと、残留応力が 60 ～ 80% 減少し、疲労寿命がさらに向上します。水素の発生を最小限に抑えるために、陰極防食電位はマイナス以上にならないように -0.80 ～ -0.85 V に制御する必要があります。

情報に基づいた仕様の作成

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