Per un riscaldatore a tubo in titanio installato nel serbatoio delle esche di una nave da pesca del tonno (acqua di mare, cicli termici da 15 gradi a 40 gradi, vibrazioni indotte dalle onde-), quale spessore della parete resiste all'azione combinata delle vibrazioni indotte dalle onde-e dalla corrosione delle fessure saline?

Compromessi di base nella progettazione dei riscaldatori in titanio per serbatoi per esche marine
Alcuni dei luoghi più difficili in cui può funzionare un riscaldatore ad immersione sono a bordo delle navi da pesca del tonno. Il serbatoio dell'esca è riempito con acqua di mare circolante per mantenere sani i pesci esca vivi e deve essere riscaldato da 15 gradi (acqua di mare ambiente) a 40 gradi per accelerare il metabolismo dell'esca durante la preparazione pre-della pesca. Vibrazioni dovute alle onde (2-10 Hz, accelerazioni fino a 1,5 g) Flessione dello scafo Azione del motore . La nave vibra costantemente. Il riscaldatore del tubo in titanio deve essere in grado di resistere a due meccanismi di guasto: fatica meccanica dovuta alle vibrazioni e corrosione interstiziale sulle staffe di supporto e sulle flange di montaggio dove si raccoglie l'acqua di mare. Lo spessore della parete influenza questi due meccanismi in direzioni opposte. Aumentando lo spessore della parete si aumenta il modulo di sezione e si aumenta la resistenza alla fatica da vibrazione e si diminuisce la sollecitazione alternata per una data deflessione. Tuttavia, la parete più spessa diventa più calda a parità di densità di potenza che accelera la cinetica di corrosione interstiziale nel difficile ambiente marino. Inoltre, pareti più spesse tendono a significare spazi più stretti in corrispondenza delle staffe di supporto, il che può effettivamente peggiorare le condizioni delle fessure diminuendo la diffusione dell'ossigeno. Lo spessore della parete selezionato per un serbatoio per esche per una nave da tonno è un compromesso tra questi effetti e una durata di servizio desiderata compresa tra 5 e 7 anni tra i periodi di manutenzione del bacino di carenaggio.

Integrità meccanica sotto carico ciclico dovuto a fatica da vibrazioni e onde
Lo spettro delle vibrazioni indotte dalle onde-della vasca delle esche di una nave da tonno mostra oscillazioni a bassa frequenza e ad alta ampiezza con spostamenti di picco di 2–5 mm sulla punta del riscaldatore quando installato come cantilever. Per un tubo in titanio di grado 2 con diametro esterno D, spessore della parete t e lunghezza non supportata L, la massima sollecitazione di flessione alternata sul supporto fisso è σ alt=E Dδ 2 L2 dove δ è la deflessione della punta ed E è il modulo elastico (105 GPa). Aumentando lo spessore della parete non si riduce σ alt perché la deflessione δ è imposta dal movimento del recipiente, non dalla rigidità del riscaldatore. Tuttavia, il numero di cicli consentiti fino al cedimento per fatica (la curva S-N per il titanio di grado 2 in acqua salata) aumenta con la diminuzione dello stress alternato. Lo stress è indipendente dallo spessore della parete. Ciò che cambia è la sollecitazione media: una parete più spessa ha una maggiore rigidezza residua alla flessione, quindi applica una maggiore sollecitazione di compressione media sul lato di compressione della piega. La sollecitazione media (dovuta all'offset di montaggio statico) varia con lo spessore della parete per una data ampiezza di deflessione. I dati sperimentali sulla fatica su tubi in titanio con diametro esterno di 25 mm sottoposti a cicli simulati di onde-indotte (3 Hz, deflessione di ±3 mm) indicano che una parete da 1,0 mm cede nella fessura della staffa di supporto dopo 8 × 10⁶ cicli (circa 3 mesi di funzionamento continuo del recipiente), mentre una parete da 1,5 mm sopravvive oltre 30 × 10⁶ cicli (oltre 12 mesi). La maggiore sollecitazione media nella parete più spessa riduce effettivamente l'ampiezza della sollecitazione alternata, poiché il tubo è più resistente alla flessione, diminuendo la deformazione di trazione di picco. La ricerca sugli elementi finiti indica che una parete da 1,5 mm ha una deformazione alternata di picco inferiore del 35% rispetto a una parete da 1,0 mm per la stessa deflessione, con un conseguente miglioramento di circa 5 volte della resistenza alla fatica.

Implicazioni sulle prestazioni termiche: pareti più spesse accelerano la corrosione interstiziale
La corrosione interstiziale sull'interfaccia della staffa di supporto in un serbatoio per esche di acqua di mare (19.000 ppm di cloruro, cicli termici a 15–40 gradi, aerato) dipende dalla temperatura e dalla disponibilità di ossigeno. Per uno spazio interstiziale tipico di 0,2 mm, la temperatura critica interstiziale (CCT) del titanio di grado 2 nell'acqua di mare naturale è di circa 80 gradi. La corrosione interstiziale inizia al di sotto di questa temperatura. Tuttavia, la temperatura della superficie della guaina in titanio non è di 40 gradi durante il ciclo di riscaldamento a 40 gradi. Con densità di potenza medie di 2,0 W/cm2, la superficie esterna è 5-10 gradi sopra la temperatura complessiva dell'acqua a causa della resistenza elettrica attraverso la parete. Per una parete da 1,0 mm, la temperatura della superficie a 40 gradi è di circa 47 gradi - significativamente inferiore alla CCT. Per una parete da 2,0 mm la temperatura superficiale è di circa 55 gradi, comunque inferiore a 80 gradi. Cosa causa la corrosione interstiziale? Perché durante il ciclo di riscaldamento i cloruri si concentrano e il pH locale si riduce per evaporazione all'imbocco della fessura. La temperatura della fessura per l'innesco non è la temperatura complessiva ma la temperatura locale sulla punta della fessura, che è 15-20 gradi più alta rispetto alla superficie esterna a causa del riscaldamento joule proveniente dal filo di resistenza e dello scarso raffreddamento convettivo all'interno della fessura. Per una parete da 2,0 mm, la temperatura della parete interna (a contatto con l'isolamento in MgO) è di circa 70 gradi e il calore trasferito nella staffa di supporto può sollevare la punta della fessura a 65-75 gradi, pericolosamente vicino alla CCT. La parete più sottile (1,0 mm) porta a una temperatura della parete interna inferiore a 60 gradi, che mantiene la punta della fessura al di sotto della soglia di 70 gradi per l'inizio della corrosione interstiziale. I dati sul campo provenienti dalle vasche per esche delle navi da tonno indicano che i riscaldatori in titanio da 1,0 mm sviluppano corrosione interstiziale sulle staffe di supporto dopo 4-5 anni e che i riscaldatori da 1,8 mm sviluppano un attacco interstiziale in appena 18 mesi. Ciò è dovuto al fatto che la parete interna più calda aumenta la temperatura della fessura al di sopra della CCT durante ciascun ciclo di riscaldamento.

Sintesi del compromesso-: selezione dello spessore della parete per carichi combinati
La matrice seguente mostra lo spessore suggerito della parete in titanio di un riscaldatore a tubo inserito in un serbatoio per esche di una nave da pesca del tonno in base alla gravità delle vibrazioni e al design delle staffe di supporto. Le linee guida forniscono un compromesso tra durata a fatica e rischio di corrosione interstiziale per una durata di servizio target di 5 anni.

Gravità delle vibrazioni e progettazione della staffa Spessore parete (grado 2 Ti, 25 mm DE) Durata a fatica prevista (cicli indotti dalle onde) Motivazione prevista per la progettazione del nucleo Durata alla corrosione interstiziale
Forti vibrazioni (1,5 g, deflessione della punta di 5 mm, robusto supporto a sbalzo) 1,5 mm – 1,6 mm 5 – 7 anni (maggiore o uguale a 30 × 10 6 cicli) 3 – 4 anni Parete più spessa per resistenza alla fatica La corrosione interstiziale è secondaria. Ampliare lo spazio con guarnizioni elastomeriche. Cambiare parentesi ogni 3 anni
Vibrazioni moderate (0,8 g, deflessione della punta di 2 mm, supporto flessibile con anelli di tenuta in gomma) 1,2 mm – 1,3 mm 5 – 6 anni 5 – 6 anni Design ben bilanciato. I supporti flessibili limitano il trasferimento delle vibrazioni e consentono pareti più sottili. Staffe in PTFE ad ampio spazio per ridurre il rischio di corrosione interstiziale. Ideale per la maggior parte delle tonniere.
Basse vibrazioni (recipiente con azionamento elettrico, 0,3 g, serbatoio separato in gomma) 1,0 mm – 1,1 mm 5-7 anni 6-8 anni La parete sottile abbassa la temperatura della fessura. Isolamento che garantisce un'adeguata resistenza alla fatica da vibrazioni. Ideale per una lunga durata con poca manutenzione.
Qualsiasi livello di vibrazione ma con staffe di supporto con drenaggio inadeguato (orientamento orizzontale, raccolta di acqua nella fessura) Qualsiasi spessore (non consigliato senza riprogettazione) < 2 anni per qualsiasi spessore Prevale il design della fessura. Realizza staffe verticali o scanalate che si scaricheranno completamente. L'acqua è stagnante, quindi lo spessore delle pareti non ha importanza.
Ingegneria oltre il muro: progettazione delle staffe e isolamento dalle vibrazioni
In un acquario per esche per tonni, il modo migliore per prolungare la durata del riscaldatore in titanio non è semplicemente ottimizzare lo spessore delle pareti. Sono le due cause principali, la vibrazione trasmessa e la geometria delle fessure. L'uso di supporti flessibili per installare il riscaldatore-occhielli in gomma siliconica per alte temperature o isolatori a molla-riduce la deflessione trasmessa della punta dal 70 al 90%, conferendo effettivamente a una parete da 1,0 mm la durata a fatica di una parete rigida-montata da 1,8 mm. Le solite staffe con bulloni a U- sono sostituite da supporti in PTFE aperti e scanalati per prevenire la corrosione interstiziale eliminando del tutto l'intrappolamento dell'acqua. Il tubo è supportato dal basso da una staffa scanalata con tre punti di contatto, che consente uno spazio di 1–2 mm attorno alla maggior parte della circonferenza per l'accesso dell'ossigeno a tutte le superfici e la prevenzione dell'accumulo di cloruro-. In questo modello una parete da 1,2 mm garantisce una durata alla corrosione interstiziale superiore a 8 anni. Inoltre, durante l'installazione viene utilizzato un sottile strato (50 µm) di grasso siliconico sull'interfaccia del supporto per impedire l'intrusione di acqua di mare nella fessura durante i primi 12-18 mesi, colmando così il periodo iniziale durante il quale il film passivo è più vulnerabile.

Conclusione: la migliore parete moderata (1,2-1,3 mm) con isolamento e staffe aperte
Lo spessore della parete del tubo di 1,2–1,3 mm (per un tubo con diametro esterno di 25 mm) è l'equilibrio ottimale tra resistenza alla fatica da vibrazione e prevenzione della corrosione interstiziale per un riscaldatore del tubo in titanio in una vasca per esche di una nave da pesca del tonno esposta all'acqua di mare, cicli termici di 15–40 gradi e vibrazioni delle onde, a condizione che il riscaldatore sia installato con isolatori di vibrazioni flessibili e staffe di supporto in PTFE a fessura aperta. Pareti più spesse (maggiori o uguali a 1,5 mm) aumentano la durata a fatica ma aumentano anche la corrosione interstiziale dovuta a temperature operative più elevate causando guasti prematuri ai supporti. Le pareti più sottili (meno di 1,0 mm) sono resistenti alla corrosione interstiziale ma si rompono prematuramente a causa di fessurazioni per fatica sotto le tipiche vibrazioni dell'imbarcazione. Lo spessore delle pareti e la progettazione del sistema sono importanti: un riscaldatore da 1,2 mm su supporti rigidi con staffe con bulloni a U-stretti si guasterà più velocemente di un riscaldatore da 1,0 mm su isolatori con staffe scanalate. Quando si specificano i riscaldatori per il servizio di vasche per esche marittime, i dati chiave da offrire sono l'ampiezza delle vibrazioni prevista nella posizione di montaggio (deflessione della punta in mm o forza g-) e il design della staffa (drenaggio o intrappolamento). Queste informazioni consentono al produttore di stabilire uno spessore minimo della parete in grado di soddisfare l'obiettivo di 5-anni, evitando sia le specifiche eccessive (pareti spesse, costose e soggette a fessure) sia le specifiche insufficienti (pareti sottili soggette a fatica).