Pri akých podmienkach cyklického zaťaženia sa na plášti z nehrdzavejúcej ocele 316 v termostate-riadenom ponornom ohrievači vyvinie praskanie pri tepelnej únave v polomere ohybu

Polomer ohybu: Mechanické zameranie opakovaného napätia pri tepelnej rozťažnosti

Predčasné mechanické poškodenie prvkov v tvare U- alebo L-v ponorných ohrievačoch zapuzdrených z nehrdzavejúcej ocele 316 prevádzkovaných pri častom vypínaní-pod kontrolou termostatu je najčastejšie pozorované v blízkosti polomeru ohybu. Polomer ohybu je však vystavený komplexnému viacosovému namáhaniu v dôsledku obručového napätia od vnútorného tlaku, axiálneho napätia z tepelnej rozťažnosti vyhrievaných rovných ramien a ohybového napätia spôsobeného geometrickým obmedzením samotnej zakrivenej časti, na rozdiel od priamych častí puzdra, ktoré sa voľne rozťahujú a sťahujú pozdĺž svojej dĺžky počas cyklov zahrievania a chladenia. O tieto napätia sa v nerezovej oceli 316 počas stabilnej nepretržitej prevádzky postará tečenie a nedochádza k praskaniu. Pri cyklickej prevádzke (viac ako 5-10 úplných tepelných cyklov za deň) vedie časté elastické namáhanie k hromadeniu únavového poškodenia. Tento článok kvantifikuje vzťah medzi počtom cyklov, teplotným rozdielom, geometriou ohybu a životnosťou iniciácie lomu a poskytuje rámec špecifikácií pre aplikácie s vysokým cyklom.

Mechanizmus nesúladu tepelnej rozťažnosti v oblasti ohybu

Keď sa puzdro 316 v tvare U -zahrieva z okolitej (20 stupňov ) na teplotu pracovného povrchu (zvyčajne 80-150 stupňov pre vodné použitie alebo 300-500 stupňov pre ohrev vzduchom/plynom), každá z priamych nôh sa pozdĺžne roztiahne podľa koeficientu tepelnej rozťažnosti pre nerezovú oceľ 316} / približne Na ohrievači s rovnou dĺžkou nohy 500 mm s povrchovou teplotou 120 stupňov (ΔT=100 stupňov od okolia pri zapnutí) sa každá noha roztiahne o 0,85 mm. Aby sa umožnilo toto rozšírenie, musí sa natiahnuť polomer ohybu, zvyčajne 20-40 mm (1,5 až 3-násobok vonkajšieho priemeru rúry). Oblasť ohybu je však tiež najhrubšia časť ohrievača po ohnutí (vonkajší polomer sa trochu stenčí a vnútorný polomer sa zväčší) a vytvára zložité rozloženie napätia. Tepelná rozťažnosť rovných nožičiek spôsobuje tlakové napätie pri zahrievaní na vnútornom polomere ohybu. Na vonkajšom polomere vzniká ťahové napätie. Maximálne ťahové napätie na vonkajšom vlákne ohybu je funkciou troch premenných: teplotného rozdielu (ΔT), dĺžky priameho ramena (L) a polomeru ohybu (R). Vodiaca aproximácia z teórie ohybu lúča dáva maximálne cyklické pretvorenie, ε=ΔTL/2R (1) kde je pre daný príklad s=17×10−6, ΔT=100 stupňom, L=500 mm a R=30 mm, vypočítané vonkajšie cyklické pretvorenie okolo 10.01.04 pri 14 %). Táto hodnota je bezpečná pre žíhanú nehrdzavejúcu oceľ 316 s medzou únavy približne 0,2 až 0,3 % deformácie pre 10⁷ cyklov. Ak však ΔT stúpne na 300 stupňov (teplota plášťa 320 stupňov bežná pri ohreve vzduchu), potom je deformácia 0,42 %, čo je nad limitom únavy a životnosť cyklu je obmedzená na približne 10 000 – 20 000 cyklov pred začiatkom lomu.

Práca za studena v dôsledku ohýbania a jej vplyv na zníženie únavy života

Technika mechanického ohýbania na výrobu U-rúr alebo ohrievačov v tvare L{1}}zahŕňa značnú prácu za studena v oblasti ohybu, najmä na vonkajšom polomere. Pri pomere ohybu R/D (polomer ohybu k vonkajšiemu priemeru rúrky) 2,0 utrpí vonkajšie vlákno v procese tvárnenia ohybové napätie ~25-30 %, čo zodpovedá úrovni práce za studena 20-25 %. Toto spracovanie za studena zvyšuje medzu klzu nehrdzavejúcej ocele 316 z približne 205 MPa (žíhaná) na 350-450 MPa, ale podstatne znižuje ťažnosť a odolnosť materiálu proti únave materiálu. Hranica únavy 20 % za studena-spracovaný 316 pri 10{sup 7} cykloch je znížená na približne 0,10 – 0,15 % deformácie, čo je menej ako polovica v porovnaní s žíhaným materiálom. Ak sa vrátime k prípadu ohrevu vzduchu nad (ΔT=300 stupňov, L=500 mm, R=30 mm, napätie=0.42 %), za studena spracovaný ohyb by zlyhal za menej ako 1000 cyklov. Praktickým výsledkom je, že ohrievače vyrobené z žíhaných rúr ohýbaných bez následného žíhania nie sú vhodné pre žiadnu aplikáciu zahŕňajúcu viac ako 1000 teplotných cyklov. Pre aplikácie s vysokým cyklom (napríklad ohrievače nádrží, cyklovanie 20-krát za deň, 300 dní za rok, počas 5 rokov=30 000 cyklov) je potrebné úplné žíhanie po ohybe, aby sa obnovili únavové charakteristiky oblasti ohybu.

Vyhodnotenie bezpečného počtu cyklov v závislosti od prevádzkových parametrov a geometrie ohybu

The permitted number of thermal cycles for a 316 sheath bend to crack initiation is a Coffin-Manson relationship, the log of cycles to failure being inversely related to the log of cyclic plastic strain. The limitations shown in the table below have been developed by combining field failure data with laboratory fatigue testing on 316 tubing with varied bend radii and cold work conditions. Two important criteria are identified: For applications with less than 1000 total cycles during the life of the heater (typical of continuous processes that run for weeks or months without shutdown), even moderate cold-worked bends survive reliably. For applications beyond 10,000 cycles (multiple on-off cycles per day over several years), only thoroughly annealed bends with R/D >= 3.0 ponúkajú primeranú odolnosť proti únave. V aplikáciách s viac ako 100 000 cyklami (rýchle-systémy cyklovania, ako sú napríklad ohrievače-miesta{6}}používania teplej vody), sú potrebné špecifické konštrukčné riešenia, ako sú rovné neohnuté ohrievače, flexibilné pripojenia alebo znížená hustota výkonu na zníženie ΔT.

Pomer polomeru ohybu (R/D) po ohybe-Tepelné spracovanie v ohybe Maximálny ΔT plášťa na cyklus (stupeň ) Odhadované cykly do iniciácie trhliny (10 % zlyhania) Odporúčané maximálne cykly pre bezpečnú službu Typická vhodnosť aplikácie
1,5 Žiadne (ako-ohnuté) 50 50,000 10,000 Nízky cyklus, teplá voda (malé ΔT)
1.5 Žiadne (ako-ohnuté) 150 2,000 1 000 Štandardný ohrev vody, obmedzené cyklovanie
1.5 Žiadne (ako-ohnuté) 300 200 100 Ohrievanie vzduchu; nie na časté bicyklovanie
2.0 None (as-bent) 50 >100,000 20 000 Dobré pre mierne cykly teplej vody
2.0 Žiadne (ako-ohnuté) 150 5,000 2 000 Prijateľné pre prerušovanú spotrebu vody
2.0 Žiadne (ako-ohnuté) 300 500 200 Hraničná hodnota pre vzduch; vyhýbajte sa pravidelnej cyklistike
3.0 Žiadne (ako ohnuté) 150 15,000 5,000Fair, preferujem žíhanie pre vysoké cykly
3.0 Full solution anneal (1040 °C + quench) 150 >200,000 50 000 Vysokocyklový ohrev vody vynikajúci
3.0 Full solution anneal after bending 300 20,000 10,000Suitable for high-cycle air/gas heating 4.0 or more (sweep bend) Full solution anneal 300 >100,000 30 000 Najlepšie pre každú službu s vysokým-cyklom a vysokým-ΔT
Terénne indikátory praskania tepelnou únavou a analýzy porúch

Trhliny z tepelnej únavy na polomere ohybu majú špecifické vlastnosti, ktoré ich odlišujú od iných typov mechanizmov porúch, ako je praskanie koróziou pod napätím (SCC) alebo jamková korózia. Únavové trhliny sú zvyčajne obvodové (kolmé na os rúrky) a vyskytujú sa na vonkajšom polomere ohybu, presne tam, kde je najväčšie cyklické namáhanie v ťahu. Začínajú na vonkajšom povrchu a postupujú vo vnútri, často v mnohých paralelných trhlinách vzdialených od seba 2-5 mm. Plážové značky alebo pruhy pri zväčšení na povrchu zlomu naznačujú progresívne šírenie trhliny počas mnohých cyklov. Zlomeniny SCC sú zvyčajne rozvetvené, intergranulárne (transgranulárne v 316 pri vyšších teplotách) a súvisia s expozíciou chloridom. Poruchy jamiek vykazujú izolované otvory, žiadne praskliny. Porovnajte počet prevádzkových cyklov a teplotný rozdiel pre neúspešný ohrievač v ohybe s vyššie uvedenou tabuľkou. Ak boli parametre aplikácie v bezpečnej zóne, no napriek tomu došlo k poruche, najpravdepodobnejšie príčiny sú: príliš tesný ohyb (R/D < 2,0), chýbajúce žíhanie po ohybe alebo výrobná chyba, ako je zárez alebo šev na hadici v polohe ohybu. Zabezpečenie kvality sa poskytuje pre kupujúcich, ktorí požadujú ohrievače na cyklické použitie, vyžadujúce röntgenovú alebo farbivo penetračnú kontrolu oblasti ohybu po ohýbaní a žíhaní, s akceptačným kritériom bez povrchových trhlín alebo záhybov.

Stratégie na zníženie tepelného napätia v ohybe

Three design modifications are used to lower the cyclic strain when the required cycle count exceeds the allowable limits for a given bend shape. The first and most effective is to increase the bend radius to R/D >= 4.0 a premeniť ohyb na pohyb, ktorý má za následok nízke napätie počas tepelnej rozťažnosti. Druhým je inštalácia ohrievača s plávajúcou alebo posuvnou prírubou, aby sa celý ohrievač mohol počas ohrevu a chladenia axiálne posúvať, namiesto toho, aby bezpečne držal oba konce. Efektívne L v rovnici namáhania je znížené na polovicu ohrievačom, ktorý má jeden koniec pevný a druhý koniec voľný na pohyb cez klzné tesnenie (roztiahnutie nastáva len od pevného bodu smerom von). Treťou technikou je zníženie hustoty výkonu a tým zníženie rozdielu teplôt plášťa (AT) pri normálnej prevádzke. Zníženie hustoty výkonu z 8 W/cm2 na 4 W/cm2 zvyčajne znižuje teplotu plášťa zo 120 stupňov na 90 stupňov, ΔT zo 100 stupňov na 70 stupňov a cyklické namáhanie úmerne k ohrevu vody. V prípade existujúcich inštalácií, u ktorých dochádza k poruchám spôsobeným únavou, dovybavenie ovládačom s mäkkým{14}}štartom, ktorý zvýši napätie počas 5-10 sekúnd, znižuje tepelný šok, ale úplne neodstraňuje kumulatívne namáhanie z celého ΔT pri každom cykle – iba zníženie nastavenej teploty alebo frekvencie cyklu poskytuje výrazné predĺženie životnosti.

Na záver: Koordinujte návrh ohybu s počtom cyklov pre spoľahlivú službu

The bend radius of a U-shaped or L-shaped 316 stainless steel immersion heater is not a geometric afterthought, it is the mechanical component most susceptible to thermal fatigue under cyclic operation. For applications with fewer than 5 cycles per day (less than 2,000 cycles during a 2-year life), standard bends with R/D = 2.0 and no post-bend annealing are suitable for adequate water heating dependability. For high cycle applications (>20 cycles/day, >15,000 cycles in 2 years), post-bending annealing and R/D >= 3.0 sú potrebné, aby sa predišlo skorej tvorbe zlomenín. Špecifikujte R/D Väčšie alebo rovné 4,0 s úplným žíhaním a plávajúcim upevnením pre rýchle-cyklické systémy alebo pre vysokoteplotné{4}}ohrievanie vzduchu. Pri cyklickom používaní by inžinieri mali pri nákupe ohrievačov vyžadovať certifikáciu pomeru polomeru ohybu a tepelného spracovania po ohybe-. Pomocou tu opísanej architektúry sa získa vzťah medzi tvarom ohybu, pracovnými podmienkami za studena{8}} a počtom cyklov s očakávanou únavovou životnosťou, takže kupujúci môžu špecifikovať 316 uzavretých ohrievačov, ktoré vydržia potrebný počet tepelných cyklov bez prasklín v ohybe.