Ako ovplyvňuje hrúbka steny plášťa z nehrdzavejúcej ocele 316 tepelnú rozťažnosť-indukované napätie na rozhraní MgO počas opakovaných cyklov zahrievania od 20 do 400 stupňov Celzia?

Spojenie medzi plášťom z nehrdzavejúcej ocele 316 a izoláciou z oxidu horečnatého je významným, no často zanedbávaným bodom zlyhania pre konštruktérov, ktorí hodnotia dlhodobú-trvanlivosť elektrických ponorných ohrievačov pracujúcich pri cyklickom používaní pri vysokých-teplotách. Plášť 316 sa pri každom zahrievacom cykle rozťahuje viac ako MgO, pretože koeficient tepelnej rozťažnosti 316 (približne 17 x 10 -6/stupeň) je približne 2-krát väčší ako zhutnený MgO (približne 9 x 10 -6/stupeň). Táto rozdielna expanzia vedie k šmykovým deformáciám na rozhraní MgO-plášťa. Počas tisícok cyklov môžu tieto tlaky vyvolať odlepenie, tvorbu medzier a prípadné prehriatie odporového drôtu. Tieto medzifázové napätia závisia priamo od hrúbky steny plášťa, pretože hrubšia stena obmedzuje expanziu iným spôsobom v porovnaní s tenkou stenou. V tejto štúdii je kvantifikovaná korelácia medzi hrúbkou steny plášťa a tepelnou rozťažnosťou spôsobenou medzifázovým napätím, aby sa poskytli návrhy na výber pre aplikácie s vysokým cyklom.

Rozhranie Sheath-MgO: Mechanika diferenciálnej tepelnej expanzie
Keď je ohrievač postavený, izolácia MgO je zhutnená proti vnútornému povrchu plášťa 316 intenzívnym tlakom pri kovaní. Výsledkom je tesné uloženie s presahom so zvyškovým tlakovým napätím na rozhraní. Oba materiály sa teplom z ohrievača rozťahujú. Plášť 316 sa snaží expandovať smerom von v radiálnom a obvodovom smere. MgO má nižší koeficient rozťažnosti a odoláva tejto expanzii. To má za následok zníženie medzifázového tlakového napätia alebo pri dostatočne vysokých teplotách prechod na ťahové napätie a vznik medzery. Kritická teplota pre medzifázovú separáciu závisí od počiatočného zvyškového napätia spôsobeného stláčaním a tuhosti steny plášťa. Radiálna tuhosť sa zvyšuje s hrúbkou steny plášťa, čo znamená, že silnejšie odoláva expanzii a udržiava medzifázový kontakt pri vyšších teplotách. Na druhej strane, tenkostenný-plášť je poddajnejší a môže umožniť vytváranie medzier pri nižších teplotách. Keď sa však vytvorí medzera, tenkostenná vložka bude vystavená väčším lokálnym ohybovým napätiam v dôsledku deformácie nepodporovanej steny pod vnútorným tlakom alebo tepelnými gradientmi.

Kvantitatívna korelácia retencie medzifázového napätia a hrúbky steny
Štúdia konečných prvkov plášťa 316 s vonkajším priemerom 10 mm naplneného MgO stlačeným na 3,0 g/cm3 poskytuje kvantitatívne odhady medzifázového napätia ako funkcie hrúbky steny a teploty. Medzifázové tlakové napätie po kovaní pri izbovej teplote je asi 30 MPa pre hrúbku steny 1,0 mm, 45 MPa pre stenu s hrúbkou 1,5 mm a 60 MPa pre stenu s hrúbkou 2,0 mm. Hrubší plášť udrží väčšiu zvyškovú kompresiu, pretože proces kovania pôsobí na MgO väčším namáhaním predtým, ako sa plášť plasticky poddá. Medzifázové napätie klesá lineárne so zvyšovaním teploty v dôsledku rozdielnej expanzie. Teplota rozpojenia, keď je medzifázové napätie nulové, je okolo 280 stupňov pre 1,0 mm stenu, 340 stupňov pre 1,5 mm stenu a 380 stupňov pre 2,0 mm stenu. Po rozpojení 1,0 mm plášť vykazuje medzifázové napätie v ťahu ~ 5 MPa, zatiaľ čo 2,0 mm plášť zostáva stlačený počas celého cyklu pre ohrievač maximálnej teploty 400 stupňov. Väzba medzi plášťom a MgO sa stratí, keď sa rozhranie stane ťahom. Výsledkom sú malé medzery, ktoré prispievajú k tepelnému odporu medzi odporovým drôtom a plášťom. MgO v oblasti medzery už nie je dobrým tepelným vodičom a môže sa vyvinúť lokálne horúce miesto, ktoré by mohlo urýchliť oxidáciu drôtu.

Cyklická únava rozhrania a degradácia ohrievača
V cyklickej prevádzke opakovaná zmena medzipovrchového napätia z tlakového na ťahové alebo zo stlačeného na rozpojené spôsobuje kumulatívne poškodenie na kontakte plášťa-MgO. Pre 1,0 mm stenový plášť pracujúci medzi 20 stupňami a 400 stupňami, rozhranie vidí asi 300 stupňové zmeny teploty. Každý cyklus prechádza od vysokej kompresie pri okolitej teplote po nulové napätie pri 280 stupňoch až po napätie pri 400 stupňoch. Toto cyklické obrátenie napätia môže podporiť opotrebenie trením na rozhraní, čím sa vytvorí prášok MgO, ktorý ďalej obmedzuje tepelný kontakt. Po 1000 cykloch môže tepelný odpor na rozhraní vzrásť o 20-40%, čo si vyžaduje vyššie teploty drôtu na udržanie konštantného tepelného výkonu. Pre 2,0 mm stenový plášť v rovnakom teplotnom rozsahu je rozhranie stlačené pri všetkých teplotách. Napätie sa pohybuje od stlačenia 60 MPa pri teplote okolia do stlačenia asi 10 MPa pri 400 stupňoch -- vždy kladný kontaktný tlak. Žiadny pražec alebo vytváranie medzery. Experimentálne testovanie 316 plášťových ohrievačov podrobených 5 000 cyklom od 20 stupňov do 400 stupňov ukazuje, že 1,0 mm stenové plášte majú 35% zvýšenie tepelného odporu a 15% zníženie izolačného odporu. Rovnaký test na 2,0 mm stenových plášťoch ukázal menej ako 5 % variáciu v oboch parametroch.

Odporúčania pre hrúbku steny pre aplikácie s vysokým cyklom a vysokou teplotou
Nasledujúca tabuľka uvádza odporúčanú hrúbku steny plášťa 316 pre danú maximálnu prevádzkovú teplotu a počet predpokladaných tepelných cyklov. Predpokladá konvenčný postup kovania a žiadne následné- žíhanie. Hodnoty predpokladajú cieľovú životnosť bez výraznej straty tepelného výkonu.

Maximálna teplota plášťa Tepelné cykly očakávané počas životnosti Odporúčaná minimálna hrúbka steny 316 Stav rozhrania pri maximálnej očakávanej teplote Tepelný odpor Po cyklovaní sa zvýši
Do 250 stupňov C0,8 – 1,0 mm Ľubovoľný počet Zostáva stlačený < 5 % 250 – 300 stupňov< 1,000 1.0 – 1.2 mm Close to zero or mildly tensile 5 – 10% 250 – 300°C 1,000 – 5,000 1.2 – 1.5 mm Compressive with margin< 5% < 300°C < 350°C < 500 1.2 – 1.4 mm Slightly tensile on peak 10 – 15%
300 – 350 stupňov 500 – 2,000 1.5 – 1,8 mm Zostáva v tlaku < 5 % 350 – 400 stupňov < 500 1.6 – 2,0 mm Mierne v ťahu na vrchole 10 – 20 %
350 – 400 stupňov 500 – 2,000 2.0 – 2,5 mm Zostáva kompresný<5%
>400 stupňov Ľubovoľné číslo Neodporúča sa s MgO Tvorba medzery je pravdepodobne nepredvídateľná
Pre aplikácie vyžadujúce vysokú maximálnu teplotu a veľké počty cyklov, ako sú sterilizačné zariadenia alebo pece s tepelným cyklovaním, sa dôrazne odporúča zvoliť 2,0 mm a hrubšie puzdro 316. Musíme len akceptovať tepelnú penalizáciu, ktorá je súčasťou hrubej steny, ako bolo uvedené v predchádzajúcich článkoch, ako cenu za dlhodobú integritu rozhrania. Alternatívne môžu inžinieri špecifikovať proces žíhania po-zápuste, ktorý znižuje zvyškové napätia, ale tiež znižuje počiatočnú medzifázovú kompresiu. Zachovanie medzifázového napätia je rovnaké pre žíhaný plášť s hrúbkou 1,6 mm a -žíhaný plášť s hrúbkou 1,2 mm. Závisí to od toho, či je aplikácia viac zameraná na tepelnú účinnosť alebo životnosť cyklu.

Konštrukčné prístupy na zmiernenie medzifázového napätia v tenkých{0}}stenných plášťoch
Pre aplikácie vyžadujúce tenkostenný plášť pod 1,2 mm z dôvodov tepelnej odozvy, ale zahŕňajúce tepelné cyklovanie na vysoké teploty, existujú tri konštrukčné riešenia, ktoré možno použiť na zníženie medzifázového odlepovania. Prvým je pridať malú vrstvu maziva alebo pasty so silnou tepelnou vodivosťou na rozhranie plášťa-MgO počas montáže. Napríklad silikónové mazivá naplnené nitridom bóru si zachovávajú poddajnosť počas teplotných cyklov a vyplňujú všetky medzery, ktoré môžu vzniknúť, pričom zachovávajú tepelný kontakt. Druhou technikou je spustiť ohrievač pri minimálnej pohotovostnej teplote namiesto ochladzovania na okolitú teplotu medzi cyklami. Pre cyklovanie ohrievača zo 150 °C na 400 °C namiesto 20 °C na 400 °C sa odchýlka medzifázového napätia zníži približne o 50 %. Tretím prístupom je definovať plášť s menším vonkajším priemerom s rovnakou hrúbkou steny. Radiálna tuhosť je úmerná štvrtej mocnine priemeru. Plášť s vonkajším priemerom 6 mm so stenou 1,0 mm má teda väčšiu radiálnu tuhosť ako plášť s vonkajším priemerom 10 mm so stenou 1,0 mm. Dizajnér môže zmenšiť priemer, aby získal výhody tenkej steny pre tepelnú odozvu a stále mal medzifázový kontakt na vyššie teploty. Keď sú tenké steny určené na cyklické použitie pri vysokých{20}}teplotách, inžinieri by mali požiadať výrobcov ohrievačov o výpočty medzifázového napätia. Analýza je funkciou pomeru redukcie závalu, hustoty zhutnenia MgO a predpokladaného teplotného profilu. Ak túto analýzu nemôžete získať od výrobcu, je pochybné, že vyrába spoľahlivý ohrievač pre náročné cyklické aplikácie.