Quale fattore di sicurezza (2,0 vs 3,0) è appropriato quando si calcola la pressione di scoppio di un riscaldatore in titanio per un sistema di controllo idraulico?

Quando un ingegnere idraulico progetta un riscaldatore in titanio per un sistema di controllo idraulico ad alta-pressione, come quelli negli attuatori degli aerei, nelle apparecchiature sottomarine o nei macchinari pesanti, il calcolo della pressione di scoppio deve includere un fattore di sicurezza (SF) per tenere conto delle variazioni di materiale, difetti di fabbricazione e condizioni di servizio. La pressione di scoppio ( P burst ) di un tubo di titanio a pareti sottili- è data da P burst=SF(2σ ult t/D), dove σ ult è il carico di rottura a trazione (grado 2: 345 MPa), t è lo spessore della parete e D è il diametro esterno. Per i sistemi non-critici che vengono ispezionati regolarmente, la scelta di SF=2.0 fornisce una pressione di scoppio pari al doppio della pressione operativa massima. Per i sistemi-critici per la sicurezza o i sistemi con vibrazioni, picchi di pressione o condizioni corrosive, è necessario il triplo buffer. La scelta di SF=3.0 lo consente. L'SF adatto si basa sulle conseguenze del guasto e dell'ambiente operativo.

Scelta dei fattori di sicurezza per i componenti a pressione in titanio
Il fattore di sicurezza per la pressione di scoppio comprende sei fattori non inclusi nel calcolo semplice della sollecitazione del telaio: 1) variazione dello spessore della parete del tubo (solitamente +/- 5-10% del nominale), 2) ovalità (l'o-rotondità riduce la pressione di scoppio del 10-25%), 3) difetti superficiali (i graffi riducono la resistenza locale del 20-50%), 4) declassamento della temperatura (la resistenza diminuisce 10-20% a 100 gradi rispetto alla temperatura ambiente), 5) fatica (la pressione ciclica riduce la durata) e 6) tolleranza alla corrosione (assottigliamento delle pareti nel tempo). Con un fattore di sicurezza pari a 2,0 (normale per sistemi idraulici non critici) si presuppone che queste variabili siano ben regolate e che il sistema venga regolarmente ispezionato. Un fattore di sicurezza pari a 3,0 (come è consuetudine per i recipienti a pressione secondo ASME Sezione VIII) presuppone le combinazioni peggiori di tutti i fattori e nessun accesso per l'ispezione.

SF=2.0 e SF=3.0 quantificazione della pressione di scoppio per dimensioni tipiche dei tubi
Diametro esterno del tubo (mm)|Spessore della parete (mm)|Pressione operativa massima (bar) a SF=2.0|Pressione operativa massima (bar) a SF=3.0 |Applicazione consigliata 12.7 1.0 108 72 Bassa pressione, non-critica 12.7 1.5 163 108 Pressione moderata
16.0 1.5 130 86 Idraulica generale 16.0 2.0 173 115 Pressione più alta 20.0 1.5 104 69 Pressione media, portata maggiore
20.0 2.0 138 92 Industriale generale 20.0 2.5 173 115 Idraulica ad alta- pressione 25.4 2.0 109 73 Pressione sottomarina moderata
25.4 2.5 136 91 Sottomarino profondo, SF=3.0 25.4 3.0 163 109 Sottomarino, SF=3.0 necessario
Guida alla scelta del fattore di sicurezza in base allo scenario
Applicazione e conseguenze del guastoPressione di esercizio tipica (bar)Ragionamento SF consigliato
Riscaldatore della linea idraulica dell'aereo (fondamentale per la sicurezza) 210-350 3.0-4.0 Il guasto provoca la perdita di controllo. Deve avere un SF elevato.
Sistema di controllo sottomarino (1500 m di profondità, 150 bar esterni) 200 (interno) 3,0 La pressione esterna può causare il collasso. 3.0 minimo API 17E SF=
Pressa idraulica industriale (non-critica) 150-250 2.0 Ispezione periodica. Il fallimento porta a tempi di inattività, non a rischi per la sicurezza.
Riscaldatore idraulico per macchine agricole 100-200 2.0 Conseguenza moderata. Criteri SF=2.0.
Macchinari mobili (escavatore, caricatore) 200-300 2.5 Le vibrazioni e i carichi d'urto richiedono un SF intermedio.
Riscaldatore del banco prova (intermittente, supervisionato) Fino a 400 2.0 Spegnimento immediato supervisionato se viene rilevata una perdita.
Impianto idraulico dell'acqua di mare (corrosivo) 100-150 3.0 È necessaria una tolleranza di corrosione. SF=3.0 era dovuto all'assottigliamento delle pareti.
High-cycle hydraulic system (>1 milione di cicli/anno) Qualsiasi 3.0+ analisi di fatica SF=3.0 non va bene per cicli pesanti. È richiesto il calcolo della fatica della curva S-N.
Fattori ingegneristici che aumentano il fattore di sicurezza richiesto
Aumentare il fattore di sicurezza a 3,0 o superiore laddove si verifica una delle seguenti situazioni. Il tubo saldato (consigliato per il servizio idraulico) riduce la pressione di scoppio del 20-40% sul cordone di saldatura. A causa della riduzione della resistenza del titanio del 10-20% al di sopra della temperatura operativa di 80°C, l'SF deve essere regolato in base al fattore di declassamento della temperatura. I cicli di pressione (superiori a 10.000 cicli/anno) richiedono l'analisi della fatica. SF=3.0 potrebbe non essere sufficiente. In ambienti corrosivi (acqua di mare, acidi), la parete si assottiglia con il tempo e l'SF deve tenere in considerazione il deterioramento previsto. I calcoli del burst dinamico devono tenere conto delle sollecitazioni aggiuntive dovute a vibrazioni e shock meccanici. Per qualsiasi combinazione di questi parametri, si consiglia una revisione del progetto con analisi completa degli elementi finiti (FEA) e previsione della vita a fatica piuttosto che fare affidamento solo sul fattore di sicurezza.

Conclusione: SF=3.0 per la sicurezza-critico, SF=2.0 per il servizio idraulico non-critico
Un fattore di sicurezza pari a 2,0 è ideale per applicazioni non-critiche in cui un guasto del riscaldatore porterebbe semplicemente a tempi di inattività e il sistema di controllo idraulico viene regolarmente monitorato, ad esempio la pressione di scoppio di un riscaldatore in titanio in un sistema di controllo idraulico. Fattore di sicurezza pari a 3,0 necessario per condizioni-critiche per la sicurezza (aereo, sottomarino, alta-pressione) o condizioni corrosive, vibrazioni o cicli di pressione. Esiste una grande differenza nella pressione operativa tra SF=2.0 e SF=3.0. Ad esempio, un tubo in titanio di 20 mm x 2,0 mm di diametro può essere utilizzato a 138 bar con SF=2.0, ma solo a 92 bar con SF=3.0, una differenza del 33%. Quando si specifica un riscaldatore in titanio per qualsiasi applicazione idraulica, è necessario fornire al fornitore la pressione operativa massima, la temperatura operativa, il servizio ciclico e le conseguenze di un guasto per consentire la selezione del fattore di sicurezza corretto e lo spessore della parete corretto specificato per soddisfare i requisiti di sicurezza e prestazioni.