Pri akej špecifickej kombinácii teploty a aplikovaného napätia v ťahu dochádza k prechodu plášťa ohrievača 316 l z prasknutia tečenia do únavy-dominantné zlyhanie pri 1 Hz cyklickom zaťažení (10 000 000 cyklov)

Limit únavy pri vysokom{0}}cykle vibrácií pre ohrievače

316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating in high vibration environments (e.g., downstream of pumps, in flowing fluids with vortex shedding, on mobile equipment, or in systems with pressure pulsations) under cyclic mechanical loading undergo a transition from pure creep rupture (time-dependent, temperature-controlled) to fatigue-dominated failure (cycle-dependent, stress-controlled) at a critical combination of temperature and applied alternating stress. At 1Hz loading (typical for flow induced vibration or pump pulsation) the transition depends on temperature. At room temperature, 316L has an endurance limit of around 200-250 MPa (stress range) at 10⁷ cycles. The endurance limit at 400°C is reduced to 150-200 MPa. At 550°C it further decreases to 100-150 MPa. The endurance limit at 600°C is 60 to 100 MPa. At temperatures above 650°C, the material cannot withstand 10 7 cycles at any tension >20-30 MPa, since creep prevails and produces rupture before 10 7 cycles, irrespective of the stress level. This paper quantifies the creep to fatigue failure mode transition for 316L heater sheaths under high cycle (>10 {sup 6} cyklov).

Mechanizmus interakcie creep-únava

Pri vyšších teplotách dochádza k interakcii únavy a tečenia. Pri čistej únave sa poškodenie hromadí za cyklus ako plastická deformácia. Pri čistom tečení sa poškodenie akumuluje ako funkcia času pod stresom. Pri vysokých teplotách a nízkych frekvenciách (1 Hz je nízka frekvencia pre testovanie únavy) má každý cyklus zadržanie pri špičkovom namáhaní (zvyčajne 0,5 sekundy pre trojuholníkovú vlnu pri 1 Hz). Počas tejto doby zdržania sa môže vyvinúť creepová kavitácia. Celkové poškodenie možno zapísať ako lineárne pravidlo sčítania poškodenia: (N/Nf) + (t/tr)=Dcrit, kde N je počet cyklov, Nf je počet cyklov do zlyhania pri čistej únave (bez tečenia), t je čas pod napätím a tr je čas do prasknutia pri čistom tečení. K výmene dôjde vtedy, keď sa dva príspevky k poškodeniu rovnajú. Pri priemernom zaťažení ohrievača (30-100 MPa) je teplota prechodu okolo 550-600 stupňov pri zaťažení 1 Hz.

Kvantifikovaný cyklický (1 Hz) vs. statická životnosť pri tečení pri rôznych teplotách

Statické pretrhnutie pri tečení a kontrolované testovanie únavy vtlačením-ťahom (R=0, trojuholníkový tvar vlny, 1 Hz) vzoriek rúr s objemom 316 l pri rovnakom špičkovom napätí priniesli nasledujúce cykly do zlyhania a prechodového správania.

Temperature (oC) Peak Stress (MPa) Cycles to Failure at 1 Hz (N_f) Time to Failure (hours) at 1 Hz Static Creep Rupture Life (hours, same stress) Dominant Failure Mode Recommended for 10^7 Cycle Life 25 250 2x10^6-5x10^6 550-1400 >100 000 Únava Nie (limit odolnosti ~200 MPa)
25 200 >10⁷ >2,800 >100,000 Fatigue Yes (below endurance limit) 300 200 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 50,000-80,000 Fatigue No 300 150 >10⁷ >2,800 >80,000 Fatigue Yes 400 180 5×10⁵-1.5×10⁶ 140-420 20,000-40,000 Fatigue No 400 120 5×10⁶-8×10⁶ 1,400-2,200 30,000-50,000 Mixed Marginal 400 100 >10⁷ >2,800 40,000 Fatigue Yes 500 120 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 10,000-15,000 Mixed No 500 80 3×10⁶-6×10⁶ 830-1,670 15,000-25,000 Mixed Marginal 500 60 >10⁷ >2,800 25,000 Fatigue Yes 550 100 3×10⁵-8×10⁵ 83-220 5,000-8,000 Creep-fatigue No 550 60 1×10⁶-3×10⁶ 280-830 8,000-12,000 Mixed Marginal 550 40 >10⁷ >2,800 15,000 Creep? Yes (check) 600 80 5104-2105 14-55 2,000-4,000 Creep-dominated No 600 40 2105-5105 55-140 4,000-6,000 Creep-fatigue No 600 20 >107 >2,800 8 000 – 10 000 Creep (ale prežije 107 cyklov?) Okraj
Frekvenčná závislosť teploty prechodu

Poškodenie pri tečení je uprednostňované nižšími frekvenciami (dlhšie trvanie zdržania pri maximálnom namáhaní) Únava je podporovaná vyššími frekvenciami V prípade ohrievačov sú vibrácie-indukované čerpadlom často 1 Hz.

Frekvencia (Hz) Teplota, pri ktorej sú tečenie a poškodenie únavou rovnaké (pre špičkové zaťaženie 60 MPa) Teplota 10^7 Limit únavy cyklu (MPa, 50 % statický výťažok)
0.1 500 stupeň 525 stupeň 0.5 530 stupeň 550 stupeň 1 550 stupeň 575 stupeň 2 570 stupeň 600 stupeň 5 600 stupeň 620 stupeň Praktické odporúčania pre inštaláciu ohrievačov v náchylnosti k vibráciám-

316L zapuzdrené ohrievače,-vysoké vibrácie. Požiadavky na dizajn a materiál pre životnosť 10⁷ cyklu pri 1 Hz.

Maximálna povolená amplitúda striedavého napätia pre 107 cyklov (MPa) Maximálna prevádzková teplota (stupeň) Odporúčané umiestnenie ohrievača Dodatočné tlmenie vibrácií<200 200Standard rigid base200-300 180Rubber isolated, rigidElective 300-400 140Flexible mount (springs) Suggested
400-500 100 Izolácia vibrácií + flexibilné uchytenieVyžaduje sa 500-550 60Potrebné plávajúce uchytenie (žiadne pevné pripojenia) + zmiernenie stresu
550-600 30-40 Heat transfer with flexibility for remote mountingRequired (or upgrade to 347) >600Nepoužiteľné (kontrolované plazivým pohybom) Aktualizácia na 347 alebo 310 N/A
Záver: Únava verzus plíživosť pre 10 7 životnosť cyklu

V prípade plášťov ohrievačov z nehrdzavejúcej ocele 316L dôjde k prepnutiu z poruchy s dominantným únavou na poruchu s dominantným tečením pri asi 550-600 stupňoch pre zaťaženie 40 – 100 MPa pri 1 Hz cyklickom zaťažení (typické pre vibrácie čerpadla alebo pulzáciu poháňanú prietokom). Pri 550 stupňoch je povolená amplitúda striedavého napätia pre 10⁷ cyklov (približne 4 mesiace nepretržitej vibrácie pri 1 Hz) 40-60 MPa; pri 600 stupňoch sa zníži na 20-40 MPa. Inžinieri, ktorí špecifikujú ohrievače na použitie s vysokými vibráciami nad 500 stupňov, musia znížiť povolené namáhanie alebo prejsť na zliatiny s vyššou teplotou (347, 310). Pri teplotách pod 500 stupňov môže 316L vydržať 10⁷ cyklov pri namáhaní od 100 do 180 MPa, ak je regulované striedavé napätie (amplitúda vibrácií). Tento tu zobrazený rámec spája teplotu, aplikované cyklické namáhanie a frekvenciu s 10 7 limitmi odolnosti proti únave cyklu. Kupujúci si tak môžu vybrať dizajn ohrievača a montážne techniky, ktoré zabránia predčasnému zlyhaniu v dôsledku vysokej únavy cyklu v situáciách náchylných na vibrácie.