Dans un -puits submersible en titane pompant 15 000 ppm d'eau de chlorure à 70 degrés, comment la fréquence de démarrage/arrêt de la pompe (6 fois/jour contre . 2 fois/jour) affecte-t-elle la durée de vie en fatigue de la soudure de la bride ?

Les réchauffeurs en titane submersibles pour puits profonds subissent des contraintes mécaniques cycliques dues aux démarrages et arrêts des pompes. La pompe démarre soudainement et l'eau chlorée à 15 000 ppm à 70 degrés s'écoule soudainement, provoquant une augmentation de la pression des coups de bélier. Lorsque la pompe s'arrête, le débit s'arrête et la pression oscille, voire s'inverse. Ces cycles de pression provoquent des contraintes cycliques dans la soudure de la bride, la jonction entre le réchauffeur et la tête de pompe ou le tuyau de refoulement. La courbe S-N relie l'amplitude de contrainte au nombre de cycles jusqu'à la rupture et la durée de vie en fatigue de la soudure est donnée par cette courbe S-N. L'augmentation de la fréquence de démarrage/arrêt de la pompe (6 fois par jour contre . 2 fois par jour) augmente le nombre de cycles par an en conséquence et diminue la durée de vie en fatigue. La formation de fissures de fatigue est accélérée à 70 degrés dans un environnement corrosif de chlorure et la durée de vie est encore réduite par rapport aux conditions d'eau douce.

Fatigue par corrosion de la soudure de la bride dans un mécanisme à eau chlorée

La soudure de bride est une région de contrainte de traction résiduelle, d'hétérogénéité microstructurale et de concentration de contraintes. Chaque cycle de démarrage/arrêt de la pompe induit une amplitude de contrainte (Δσ) sur la soudure, généralement comprise entre 20 et 50 MPa, en raison des coups de bélier. La déformation cyclique détruit localement le film passif sur la soudure dans de l'eau chlorée à 15 000 ppm à 70 degrés. Le métal exposé est attaqué par des ions chlorure et des fissures se forment au niveau des pieds de soudure. Chaque cycle prolonge la fissure de 0,1 à 1 um. Le taux de croissance des fissures est donné par la loi de Paris comme suit : da/dN=C(DeltaK) m Où DeltaK est la plage du facteur d'intensité de contrainte. Le coefficient C est augmenté de 2 à 5 fois par rapport aux conditions de l'air ou de l'eau douce en raison de la corrosion.

Durée de vie quantitative en fatigue en fonction du taux de démarrage/arrêt

Les durées de vie en fatigue ont été déterminées pour une soudure typique de bride en titane de grade 2 (diamètre 20 mm, épaisseur de paroi 1,5 mm) avec un facteur de concentration de contraintes K t=3 et une surpression de 5 bar (Δσ ≈ 45 MPa au pied de la soudure). La durée de vie en fatigue pour une fréquence de démarrage/arrêt de 2 fois par jour (730 cycles par an) est de 500 000 à 1 000 000 de cycles, soit 685 à 1 370 ans, sans caractère limitatif. À raison de 6 fois par jour (2 190 cycles par an), la durée de vie en fatigue est de 400 000 à 800 000 cycles, soit de 180 à 365 ans, toujours sans danger pour les applications pratiques. La durée de vie en fatigue est réduite à 200 000 à 500 000 cycles à raison de 30 par jour (10 950 cycles par an) ou 18 à 45 ans, ce qui est acceptable pour la plupart des applications. Au rythme de 120 par jour (43 800 par an ou environ toutes les 12 minutes), la durée de vie en fatigue est de 80 000 à 200 000 cycles ou de 2 à 5 ans et il existe une possibilité de rupture par fatigue. À 500 fois par jour (182 500 cycles par an, environ toutes les 3 minutes), la durée de vie en fatigue descend en dessous de 50 000 cycles, ce qui est inférieur à 3 mois et n'est pas acceptable.

Effets de la concentration de chlorure et de la température sur la réduction de la durée de vie en fatigue

The corrosion fatigue life decrease factor is dependent on chloride concentration and temperature. The fatigue life at 2 cycles per day is >2,000 years and at 6 cycles per day is >1 000 ans dans de l'eau douce à 70 degrés avec 0 ppm de chlorure. Facteur de réduction de la durée de vie=1.0. 15,000 ppm chlorure 70ºC Durée de vie à la fatigue à 2 cycles par jour 500 - 1,000 ans Durée de vie à la fatigue à 6 cycles par jour 180 - 365 ans Facteur de réduction ~ 0,5 À 70 degrés dans 30 000 ppm de chlorure, la durée de vie à la fatigue est de 300 à 600 ans à 2 cycles par jour et de 100 à 200 ans à 6 cycles par jour. Le facteur de réduction est de 0,3. La durée de vie à la fatigue à 2 cycles par jour est de 200 à 400 ans et à 6 cycles par jour est de 70 à 150 ans dans 15 000 ppm de chlorure à 90 °C avec un facteur de réduction de 0,25.

Manuel de gestion de la fréquence de démarrage/arrêt et de la durée de vie en fatigue

Le tableau ci-dessous indique les fréquences de démarrage/arrêt maximales recommandées pour les radiateurs en titane submersibles à puits profonds fonctionnant dans une eau chlorée de 15 000 ppm à 70 degrés, en fonction de la durée de vie prévue et de l'application de méthodes d'atténuation de la fatigue.

Durée de vie souhaitée (années) Concentration de chlorure (ppm) Fréquence de démarrage/arrêt maximale recommandée (cycles/jour) Atténuation nécessaire Marge de durée de vie prévue en cas de fatigue
20 <5,000 100 2× None 20 15,000 20 2× Soft-start controller 10 15,000 50 2× Soft-start + weld stress relief
10 30,000 15 2× Démarrage progressif-+ Titane grade 7
5 15,000 80 2× Démarrage progressif + inspection annuelle
5 30,000 25 2× niveau 7 + stress-soulagé
Contrôle de fréquence pour une ingénierie au-delà du démarrage/arrêt

La qualité du titane affectera la résistance à la fatigue dans des environnements corrosifs. Le grade 7 est similaire au grade 2 en termes de résistance à la fatigue, mais présente une meilleure résistance à la corrosion et donc une réduction du facteur d'accélération de la fatigue par corrosion de 30 à 50 %. La qualité des soudures est cruciale. Une soudure de transition lisse et affleurante a un facteur de concentration de contraintes K t de 1,5-2 contre 3-5 pour un joint tel que-soudé. En augmentant l'épaisseur de paroi de 1,5 mm à 2,5 mm, l'amplitude de contrainte pour un coup de bélier identique est réduite de 30 %. Le recuit de soulagement des contraintes après soudage à 540 degrés pendant 30 minutes minimise les contraintes résiduelles et double la durée de vie en fatigue. Un contrôleur de pompe à démarrage progressif réduit les coups de bélier de 50 à 70 %.

Création d'une spécification intelligente

Concevoir un système de contrôle de pompe pour un chauffage submersible à puits profond en titane dans de l'eau chlorée à 15 000 ppm à 70 °C afin de limiter la fréquence de démarrage/arrêt à 6 cycles par jour ou moins. Pour les applications nécessitant des cycles plus fréquents, spécifiez un contrôleur de démarrage progressif pour réduire les coups de bélier. Toutes les soudures des brides doivent être meulées à ras jusqu'à une hauteur de renfort inférieure à 0,1 mm et les contraintes seront relâchées à 540 degrés pendant 30 min dans un environnement d'argon. Modernisez les réchauffeurs à haute fréquence de cycle existants avec un entraînement à fréquence variable pour augmenter progressivement la vitesse de la pompe. Vérifier la soudure des brides avec un ressuage une fois par an. Si une indication de fissure est observée, remplacez immédiatement le radiateur. L'ingénieur gère la fréquence de démarrage/d'arrêt de la pompe et la qualité des soudures pour éviter que la fatigue par corrosion ne limite la durée de vie des soudures des brides de chauffage en titane dans les eaux souterraines à haute teneur en -chlorure.