Milyen biztonsági tényező (2,0 vs 3,0) megfelelő a hidraulikus vezérlőrendszer titán fűtőelemének felszakadási nyomásának kiszámításakor?

Amikor egy hidraulikus mérnök titán fűtőtestet tervez nagy-nyomású hidraulikus vezérlőrendszerhez, például repülőgép-hajtóművekhez, tenger alatti berendezésekhez vagy nehézgépekhez, a felszakítási nyomás számításának tartalmaznia kell egy biztonsági tényezőt (SF), amely figyelembe veszi az anyag, a gyártási hibák és a szolgáltatási feltételek változásait. Egy vékony-falú titáncső felszakítási nyomását ( P burst ) a P burst=SF(2σ ult t/D) adja meg, ahol σ ult a végső szakítószilárdság (2. fokozat: 345 MPa), t a falvastagság és D a külső átmérő. A rendszeresen ellenőrzött nem -kritikus rendszerek esetében az SF=2.0 választása a maximális üzemi nyomás kétszeresének megfelelő feltörési nyomást biztosít. Biztonsági -kritikus rendszerek vagy rezgéssel, nyomáscsúcsokkal vagy korrozív körülményekkel rendelkező rendszerek esetén a háromszoros puffer szükséges. Az SF=3.0 választása lehetővé teszi ezt. A megfelelő SF a meghibásodás következményeitől és a működési környezettől függ.

Titán nyomású alkatrészek biztonsági tényezőinek megválasztása
A felszakítási nyomás biztonsági tényezője hat olyan tényezőt foglal magában, amelyek nem szerepelnek az egyszerű karikafeszültség-számításban: 1) a cső falvastagságának változása (általában a névleges érték +/- 5-10%-a), 2) az oválisság (-a -kerekség 10-25%-kal csökkenti a felszakítási nyomást), 3) a felületi hibák 5%-kal csökkentik a helyi szilárdságot ({0%),0} 4) hőmérséklet-csökkenés (szilárdság 10-20%-kal csökken 100 fokon a szobahőmérséklethez képest), 5) kifáradás (ciklikus nyomás csökkenti az élettartamot) és 6) korróziótűrés (a fal elvékonyodása az idő múlásával). A 2,0-s biztonsági tényezővel (normál a nem kritikus hidraulikus rendszereknél) feltételezhető, hogy ezek a változók jól szabályozottak, és a rendszert rendszeresen ellenőrzik. A 3,0-s biztonsági tényező (ahogy az ASME VIII. szakasza szerinti nyomástartó edényeknél szokásos) az összes tényező legrosszabb kombinációját feltételezi, és nincs hozzáférés az ellenőrzéshez.

SF=2.0 versus SF=3.0 felszakítási nyomás mennyiségi meghatározása tipikus csőméreteknél
Cső külső átmérője (mm)|Falvastagság (mm)|Maximális üzemi nyomás (bar) SF=2.0|Max. üzemi nyomás (bar) SF-nél=3.0 |Javasolt alkalmazás 12.7 1.0 108 72 Alacsony nyomás, nem-kritikus 12.7 1.5 163 108 Közepes nyomás
16.0 1.5 130 86 Általános hidraulika 16.0 2.0 173 115 Magasabb nyomás 20.0 1.5 104 69 Közepes nyomás, nagyobb áramlás
20.0 2.0 138 92 Általános ipari 20.0 2.5 173 115 Magas-nyomású hidraulika 25.4 2.0 109 73 Mérsékelt nyomású tenger alatt
25.4 2.5 136 91 Mély tengeralatti, SF=3.0 25.4 3.0 163 109 Tengeralatti, SF=3.0 szükséges
Útmutató a biztonsági tényező forgatókönyv alapján történő kiválasztásához
Alkalmazás és a meghibásodás következményeiTipikus üzemi nyomás (bar) Javasolt SF indoklás
Repülőgép hidraulikavezeték-fűtő (a biztonság szempontjából kulcsfontosságú) 210-350 3.0-4.0 A meghibásodás az irányítás elvesztését okozza. Magas SF-nek kell lennie.
Tenger alatti vezérlőrendszer (1500 m mélység, 150 bar külső) 200 (belső) 3.0 A külső nyomás összeomlást okozhat. 3.0 minimum API 17E SF=
Ipari hidraulikus prés (nem{0}}kritikus) 150-250 2.0 Időszakos ellenőrzés. A meghibásodás leálláshoz vezet, nem pedig biztonsági kockázathoz.
Mezőgazdasági berendezések hidraulikus fűtése 100-200 2.0 Mérsékelt következmény. SF=2.0 feltételek.
Mobil gépek (kotrógép, rakodó) 200-300 2.5 A vibrációs és lökésszerű terhelések közbenső SF terhelést igényelnek.
Tesztállvány fűtés (szakaszos, felügyelt) Akár 400 2.0 Felügyelt azonnali leállítás, ha szivárgást észlel.
Tengervíz-hidraulika rendszer (korrozív) 100-150 3.0 Korróziós ráhagyás szükséges. Az SF=3.0 a fal elvékonyodása miatt következett be.
High-cycle hydraulic system (>1 millió ciklus/év) Bármilyen 3.0+ fáradtságelemzés SF=3.0 nem jó nehéz ciklusokhoz. Az S-N görbe fáradási számítása szükséges.
Mérnöki tényezők A szükséges biztonsági tényező növelése
Növelje a biztonsági tényezőt 3,0-ra vagy nagyobbra, ha az alábbi helyzetek bármelyike ​​fennáll. A hegesztett cső (hidraulikus szervizhez ajánlott) 20-40%-kal csökkenti a repedési nyomást a hegesztési varratnál. A titán szilárdságának 10-20%-os csökkenése miatt 80 C üzemi hőmérséklet felett az SF-et a hőmérséklet-csökkentési tényező alapján kell beállítani. A nyomásciklus (több mint 10 000 ciklus/év) fáradságelemzést tesz szükségessé. Lehet, hogy az SF=3.0 nem elég. Korrozív környezetben (tengervíz, savak) a fal idővel elvékonyodik, és az SF-nek figyelembe kell vennie a várható állapotromlást. A dinamikus robbanás számításánál figyelembe kell venni a vibrációból és a mechanikai ütésekből adódó további feszültségeket. E paraméterek bármely kombinációja esetén ajánlatos a teljes végeselem-elemzéssel (FEA) és a kifáradási élettartam előrejelzésével ellátott tervezési felülvizsgálatot végezni, ahelyett, hogy egyedül a biztonsági tényezőre hagyatkozna.

Következtetés: SF=3.0 a biztonságért-kritikus, SF=2.0 a hidraulikus szolgáltatásért, nem-kritikus
A 2,0-s biztonsági tényező ideális a nem-kritikus alkalmazásokhoz, ahol a fűtés meghibásodása pusztán állásidőhöz vezet, és a hidraulikus vezérlőrendszert rendszeresen ellenőrzik, például a titán fűtőelem felszakadási nyomását egy hidraulikus vezérlőrendszerben. 3,0-s biztonsági tényező, amely a biztonsághoz -kritikus (repülőgép, tengeralattjáró, nagynyomású-) vagy korrozív körülmények, vibráció vagy nyomásciklus esetén szükséges. Az SF=2.0 és az SF=3.0. között nagy az üzemi nyomáskülönbség. Például egy 20 mm x 2,0 mm átmérőjű titáncső SF=2.0 mellett 138 bar nyomáson üzemeltethető, SF=3.0 esetén viszont csak 92 bar nyomáson, ami 33%-os eltérést jelent. Amikor bármilyen hidraulikus alkalmazáshoz titán fűtőtestet határoznak meg, meg kell adni a szállítónak a maximális üzemi nyomást, üzemi hőmérsékletet, ciklikus üzemet és a meghibásodás következményeit, hogy lehetővé váljon a megfelelő biztonsági tényező kiválasztása és a megfelelő falvastagság meghatározása a biztonsági és teljesítménykövetelmények teljesítése érdekében.