Dans les systèmes hydrauliques de plates-formes offshore chauffant des fluides résistants au feu - (eau 95/5 - glycol) à 80 degrés, quelle épaisseur de paroi du tube en titane empêche les fuites par sténopé après 10 000 cycles thermiques ?

Sur les plates-formes offshore, des fluides-résistants au feu sont utilisés pour minimiser le risque d'incendie dans les conduites hydrauliques-haute pression. Ces fluides sont généralement constitués de 95 % d'eau et de 5 % de glycol (éthylène ou propylène). Ces fluides sont utilisés à 80 degrés et sont soumis à des cycles thermiques réguliers lorsque les pompes hydrauliques sont allumées et éteintes et lorsque les températures ambiantes changent entre les opérations de jour et de nuit. Les tubes en titane de grade 2 sont utilisés pour les réchauffeurs de fluides hydrauliques en raison de leur résistance à la corrosion dans les mélanges d'eau -glycol et de leur rapport résistance/poids élevé. Cependant, un scénario de défaillance en particulier, la fissuration par fatigue thermique, entraîne des fuites de microtrous après des cycles thermiques répétés. La fatigue thermique, contrairement à l’éclatement sous pression ou à la corrosion uniforme, provoque le développement et la croissance de fissures microscopiques à travers la paroi du tube sans amincissement mesurable de la paroi. Cet article présente l'épaisseur de paroi minimale nécessaire pour que les tubes en titane de grade 2 résistent à 10 000 cycles thermiques entre 20 degrés (ambiant) et 80 degrés (en fonctionnement) sans fuites de trous d'épingle, sur la base d'essais de fatigue et d'analyses par éléments finis.

Hydro-Fatigue mécanique des tubes d'un réchauffeur hydraulique
Un tube chauffant en titane dans un système de fluide hydraulique est soumis à des contraintes thermiques cycliques provoquées par la dilatation différentielle entre le tube et l'environnement. Lorsque le chauffage est allumé, la paroi du tube est rapidement chauffée de 20 degrés à 80 degrés (ΔT=60 degrés). La paroi intérieure en contact avec l'élément chauffant chauffe plus vite que la paroi extérieure en contact avec le fluide hydraulique. Les gradients de température à travers le mur provoquent des contraintes de compression sur la surface intérieure du mur et des contraintes de traction sur la surface extérieure du mur. Ce cycle s'inverse lorsque le chauffage s'éteint. Chaque cycle de température induit une amplitude de déformation sur la paroi du tube.

Pour un tube typique de grade 2, d'un diamètre extérieur de 25 mm avec une paroi de 1,65 mm, la contrainte thermique par cycle au niveau de la paroi extérieure est comprise entre 0,08 et 0,12 % (en fonction de la vitesse de chauffage et de la convection du fluide). C'est bien en dessous de la limite d'élasticité du titane (0,5-0,7 %), la déformation est donc élastique. Mais même les contraintes cycliques élastiques conduisent à une accumulation de dommages dus à la fatigue. Après des cycles suffisants, de minuscules fissures se forment au niveau des défauts de surface, des inclusions ou des zones de contraintes résiduelles (coudes de tubes, soudures, connexions de plaques tubulaires). Ces fissures se développent de manière transgranulaire et finissent par perforer la paroi pour former une fuite en trou d'épingle. Le liquide hydraulique s'échappe par des trous d'épingle, produisant une perte de liquide et de pression.

Épaisseur de paroi et durée de vie en fatigue
Des tests de cycle thermique contrôlés de tubes en titane de grade 2 (OD 25 mm, différentes épaisseurs de paroi) dans de l'eau -glycol (95/5) à 80 degrés sont présentés avec des données de durée de vie en fatigue. Les tubes ont été chauffés de 20 à 80 degrés à une vitesse de 10 degrés/min (similaire aux radiateurs électriques) et refroidis de 80 à 20 degrés à une vitesse de 5 degrés/min (convection naturelle). Les cycles ont été poursuivis jusqu'à ce qu'une fuite en trou d'épingle soit découverte par chute de pression.

Pour une épaisseur de paroi de 1,0 mm (BWG 18), la durée de vie en fatigue était comprise entre 2 000 et 4 000 cycles. La rupture se produisait au niveau des coudes de tubes et des zones de soudure dans lesquelles les contraintes résiduelles concentraient la déformation cyclique. Des fuites de sténopé sont apparues sans amincissement apparent du mur.

Pour le mur de 1,2 mm (BWG 16), la durée de vie en fatigue a été augmentée à 4 000-7,000. 8 000 cycles sans rupture, mais la dispersion était importante en raison des variations de polissage de surface et des contraintes résiduelles.

La durée de vie en fatigue était de 8 000 à 15 000 cycles pour une paroi de 1,65 mm (BWG 14). La durée de vie médiane était de 11 000 cycles, meilleure que l’objectif de 10 000 cycles. Les soudures sans contrainte et les tubes polis lisses ont permis plus de 15 000 cycles.

Pour un mur de 2,0 mm, la durée de vie en fatigue était supérieure à 20 000 cycles et aucune défaillance n'a été constatée jusqu'à 25 000 cycles lors des tests. La paroi plus épaisse équivaut à une amplitude de déformation cyclique réduite car le gradient de température à travers une paroi plus épaisse est plus faible pour la même vitesse de chauffage (diffusivité thermique fixe, une paroi plus grande signifie un ΔT plus petit par unité d'épaisseur).

La durée de vie à la fatigue d'une paroi de 2,5 mm est supérieure à 30 000 cycles, dépassant largement les exigences des plates-formes offshore courantes.

La relation suit une loi de puissance : cycles jusqu'à rupture ~ (épaisseur de paroi)^1,8 à 2,2. L'augmentation de l'épaisseur de paroi de 1,0 mm à 2,0 mm entraîne une augmentation de 3,5 à 4,5 fois de la durée de vie en fatigue.

Influence de l’état de surface et des contraintes résiduelles
Mais la durée de vie en fatigue ne dépend pas uniquement de l’épaisseur de la paroi ; l'état de la surface et les contraintes résiduelles jouent également un rôle important. Des tests sur des tubes d'une épaisseur de paroi de 1,65 mm avec différents polissages de surface montrent :

Tel que-étiré (finition d'usinage, Ra 1,6-2,5 µm) 8 000-11 000 cycles (médiane 9 500)

Décapé (Ra 0,8-1,2 µm) : 9 000-13 000 cycles (médiane 10 500)

Poli (Ra.2-4 µm) : 11 000-15 000 cycles (médiane 13 000)

Les tubes traités avec un soulagement des contraintes après-soudage (540 degrés pendant 1 heure sous argon) ont une durée de vie en fatigue 20-30 % plus longue que les tubes bruts de soudure. La réduction des contraintes réduit les contraintes de traction résiduelles au niveau des soudures de 150 à 200 MPa à moins de 50 MPa, éliminant ainsi les sites les plus courants d'initiation de fissures de fatigue.

Matrice d’application des tubes de chauffage hydrauliques offshore
Exigences en matière de cycle thermique Diamètre extérieur du tube Épaisseur de paroi recommandée Finition de surface Soulagement des contraintes Cycles estimés jusqu'à une fuite de trou d'épingle
25 mm 1,2 mm Décapé 5 000 cycles (durée de vie moyenne de 5 ans, 2-3 cycles/jour)Non requis 5 000 à 8 000 cycles
10 000 cycles (conception 10 ans, 3 cycles/jour) 25 mm 1,65 mm Poli Recommandé pour les soudures 11 000-15 000 cycles
10 000 cycles (conception 10 ans) 25 mm 2,0 mm DécapéPas nécessaire 15 000-20 000 cycles
20 000 cycles (durée de vie de 20 ans) 25 mm 2,0 mm Poli Requis pour toutes les soudures 20 000 à 25 000 cycles
20 000 cycles (durée de vie de 20 ans) 25 mm 2,5 mm Tel que dessiné Non requis 25 000 à 30 000 cycles
Plateforme à vibrations élevées (ajoute une contrainte cyclique mécanique)Ajoutez 0,5 mm au-dessus. Tout poli requis Réduisez les cycles attendus de 20 à 30 %
Recommandations pour un service à 10 000 cycles
L'exigence de conception pour chauffer un fluide ignifuge 95/5 eau-glycol à 80 °C pour les systèmes hydrauliques des plates-formes offshore est de 10 000 cycles thermiques (environ 10 ans à 3 cycles par jour). Pour un tube en titane de grade 2, finition de surface polie et soudures sans contrainte, l'épaisseur de paroi minimale est de 1,65 mm (BWG 14) . Alternativement, une finition décapée de paroi de 2,0 mm sans soulagement des contraintes offre une durée de vie à la fatigue équivalente ou supérieure. Spécification recommandée :

Matériau : Tube sans soudure ASTM B338, titane grade 2

Épaisseur de paroi : min. 1,65 mm (BWG 14)

Diamètre extérieur : 25 mm (ou selon les besoins pour la conception du radiateur)

Finition de surface : Poli Ra 0,4 µm max (intérieur et extérieur)

Soudures (le cas échéant) : GTAW à pénétration totale avec recuit de libération de contrainte à 540 degrés pendant 1 heure

Coudes de tubes : rayon de courbure minimum 3x OD, mandrins courbés pour éviter l'affaiblissement du mur

Pour les nouvelles installations où le poids n'est pas un problème, une paroi de 2,0 mm offre une marge supplémentaire et élimine le besoin de soulagement des contraintes, ce qui facilite la fabrication. Si des fuites de trous d'épingle se produisent sur les appareils de chauffage actuels après 5 000 -7 000 cycles, un remplacement direct des tubes de 1,2 mm ou de 1,65 mm comme-étirés est des tubes polis de 1,65 mm avec des soudures soulagées.

Pour les systèmes hydrauliques avec plus de 3 cycles/jour (par exemple plates-formes avec cycles de pompe rapides pour le contrôle de la pression), augmentez l'épaisseur de paroi en conséquence : pour 5 cycles/jour (18 000 cycles sur 10 ans), spécifiez 2,0 mm minimum de paroi. Exiger une documentation sur la finition de surface (mesure Ra) lors de l'achat. Exiger une certification du recuit de détente avec un tableau temps-température pour les produits soudés. Avec l'épaisseur de paroi et l'état de surface appropriés, les tubes en titane de grade 2 survivront à 10 000 cycles thermiques sans fuites par piqûres dans le service de chauffage hydraulique des plates-formes offshore.