Aké maximálne prípustné napätie obruče pri 500 stupňovej teplote vnútorného plášťa riadi životnosť 100 000-hodinového pretrhnutia pri tečení rúrok ohrievača z nehrdzavejúcej ocele 316

Konštrukčný stresový základ pre životnosť pri zvýšenej teplote

Pre elektrické vykurovacie rúrky s plášťom z nehrdzavejúcej ocele 316 používané vo vysokoteplotných aplikáciách vykurovania vzduchom alebo plynom s vnútornými teplotami kovu 500 stupňov a vo vnútornej stene plášťov ponorených do kvapalín s nižšou teplotou je dôležitým konštrukčným parametrom maximálne prípustné napätie obruče pre životnosť 100 000 hodín pri tečení. Pri návrhu pri izbovej teplote je medza klzu základom pre prípustné napätie, zatiaľ čo pri vysokoteplotnom návrhu pre prevádzku s obmedzením tečenia sú úrovne napätia také, že komponent počas svojej projektovanej životnosti nepraskne kavitáciou pri tečení a praskaním na hranici zŕn. Pre nehrdzavejúcu oceľ 316 pri 500 stupňoch je priemerné napätie, ktoré spôsobí prasknutie za 100 000 hodín (približne 11,4 roka nepretržitej prevádzky), približne 120-140 MPa, v závislosti od špecifickej tepelnej chémie a veľkosti zrna. Maximálne povolené napätie obruče je 80-95 MPa s obvyklým bezpečnostným faktorom 1,5 pre návrh proti pretrhnutiu pri tečení (metóda ASME Section VIII Division 2). Článok poskytuje kvantifikované údaje o namáhaní pri pretrhnutí pri tečení pre 316 plášťov ohrievačov v teplotnom rozsahu 450 stupňov až 650 stupňov a metodiku na výpočet bezpečného prevádzkového tlaku a hrúbky steny pre prevádzku pri zvýšenej teplote.

Mechanizmus tečenia a Larsonovo-Millerovo kritérium

U nehrdzavejúcej ocele 316 dochádza k prasknutiu pri tečení kavitáciou na hranici zŕn a šírením trhlín. Čas do prasknutia sa mení s teplotou podľa Arrheniovho vzťahu a so stresom podľa inverzného mocninového zákona. Larson-Millerov parameter (LMP=T × (C + log t_r), kde T je absolútna teplota v Kelvinoch, t_r je doba pretrhnutia v hodinách a C je materiálová konštanta zvyčajne 15-20 pre austenitické nehrdzavejúce ocele) je spôsob extrapolácie údajov z krátkodobých testov tečenia na predĺženú životnosť. Na 316 sa vykonalo rozsiahle testovanie, aby sa určila medza pevnosti pri tečení po 100 000 hodinách pri 500 stupňoch medzi 110 MPa (dolná hranica, 95 % spoľahlivosť) a 150 MPa (horná hranica) s normálnou strednou hodnotou 130 MPa. Pevnosť v pretrhnutí pri 100 000 hodinách je 60-90 MPa pri 550 stupňoch. A pri 600 stupňoch sa zníži na 30-50 MPa. Pri 650 stupňoch je pevnosť v pretrhnutí 100 000 hodín len 15-25 MPa. To je pri väčšine konštrukcií ohrievačov pod napätím obruče od vnútorného tlaku a znamená to, že 316 nemôže dosiahnuť 100 000 hodín životnosti pri 650 stupňoch bez ohľadu na to, aká je hrúbka steny, pretože prasknutiu pri tečení sa nedá vyhnúť. Praktickým výsledkom je, že 316 plášťových ohrievačov vyrobených na 100 000 hodín (11,4 roka) nepretržitej prevádzky musí byť skonštruovaných tak, aby maximálna prevádzková teplota plášťa nebola väčšia ako 530-550 stupňov v závislosti od vnútorného tlaku.

Prípustné napätie obruče, kvantifikované na 100 000 hodín životnosti.

Tabuľka 4.3 zobrazuje maximálne prípustné namáhanie prstenca pre rúrky ohrievača z nehrdzavejúcej ocele 316 s životnosťou pri tečení 100 000 hodín pri teplotách medzi 450 stupňami a 650 stupňami. Dodávajú sa tri hodnoty napätia, tj priemerné napätie do pretrhnutia (50 % prežitie), dolná hranica napätia (95 % prežitie, návrhová základňa API/ASME) a navrhované konštrukčné prípustné namáhanie (dolná hranica vydelená bezpečnostným faktorom 1,25-1,5 v závislosti od kódu. Pre návrh ohrievača s použitím špecifikovaného prijateľného napätia by sa mal maximálny vnútorný tlak {14} vypočítať zo vzorca napätia P{14} σ dovoliť / D stred, kde t je hrúbka steny, D stred je stredný priemer.

Teplota ( stupeň ) Stredné napätie pri pretrhnutí (MPa) 100 000 h Dolná hranica (95 % prežitie) Napätie pri pretrhnutí (MPa) Odporúčané konštrukčné prípustné napätie (MPa) (SF=1.4 na spodnej hranici) Maximálne namáhanie obruče počas 100 000 h Životnosť (MPa) Typická} Neobmedzená prevádzka pre väčšinu aplikácií {{6}
500 120-150 100-130 70-95 85 Základ štandardného dizajnu 525 85-110 70-95 50-70 60 Vyžaduje sa znížený dizajn 550 60-80 45-65 30-45 40 Krátka-životnosť alebo nízke{4}}namáhanie len 575 40-55 30-45 20-30 25 Hraničné pre nepretržitú prevádzku 600 25-40 18-30 12-20 15 Neodporúča sa na 100 000 hodín 625 15-25 10-18 7-12 10 Neprijateľné pre dlhú životnosť
650 10-15 5-10 3-7 5 316 nevhodné; upgrade zliatiny
Prevod vnútorného tlaku a hrúbky steny na prípustné napätie

Odporúčané konštrukčné prípustné napätie obruče pre konvenčný ohrievač 316 s vonkajším priemerom 10 mm a hrúbkou steny 1,5 mm (stredný priemer 8,5 mm) je 85 MPa pri 500 stupňoch, čo dáva maximálny vnútorný tlak P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 MPa (300 barov). To je vysoko nad akýmkoľvek možným tlakom v prevádzke ponorného ohrievača, čo dokazuje, že pretrhnutie pri tečení pri 500 stupňoch nie je pre takýto ohrievač limitujúcim faktorom – dominovať budú iné problémy, ako je oxidácia alebo tepelná únava. Pri veľkých priemeroch plášťov alebo pri vysokej teplote sa tečenie stáva obmedzujúcim. Pre 20 mm vonkajší plášť so stenou 2,0 mm (stredný priemer 18 mm) pri 550 stupňoch (prípustné napätie 40 MPa) je maximálny vnútorný tlak iba Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 barov). To môže byť príliš málo pre ohrievač na 550 stupňov v tlakovom systéme (napr. prehriata voda alebo para pri tlaku 80-100). Projektant by mal zvýšiť hrúbku steny, znížiť teplotu znížením hustoty výkonu alebo aktualizovať materiál.

Faktory ovplyvňujúce pevnosť pri tečení

Pevnosť pri tečení v tabuľke je pre 316 úplne žíhaných ASTM 6-8 (30-50 m) zrnitosti. Tieto hodnoty menia tri veci. Prvým je veľkosť zrna. Hrubozrnný materiál (ASTM 3-5, 50-80 µm) vykazuje o 10-20 % väčšiu pevnosť pri tečení pri rovnakej teplote ako jemnozrnný materiál, pretože hranice zŕn sú dominantnými miestami kavitácie pri tečení a hrubšie veľkosti zŕn znamenajú menej hraníc na jednotku objemu materiálu, a teda nižšiu hustotu dutín. Prechod na minimálnu veľkosť zrna ASTM 5 môže poskytnúť pridanú maržu. Druhou zložkou je predchádzajúca práca za studena: 10-20 % tvárnenie za studena zvyšuje počiatočnú pevnosť, ale spôsobuje rýchle uvoľnenie napätia a rekryštalizáciu okolo 500-600 stupňov, čo vedie k horšej dlhodobej pevnosti pri tečení ako pri plne žíhanom materiáli. Plne žíhané je lepšie pre obmedzené tečenie. Tretím bodom je rozdelenie karbidov. Materiál s jemnými intragranulárnymi karbidmi (zo správneho rozpúšťacieho žíhania) poskytuje precipitačné spevnenie, ktoré zvyšuje odolnosť proti tečeniu. Hrubé karbidy na hraniciach zŕn (senzibilizácia) znižujú pevnosť pri tečení, pretože karbidy pôsobia ako nukleačné miesta pre dutiny. Jemné intragranulárne karbidy vo vnútri mikroštruktúry žíhanej v roztoku sú potrebné pre aplikácie s obmedzeným tečením

Praktické stanovenie teploty plášťa pre výpočty životnosti

Teplota vnútorného plášťa (teplota kovu na vnútornej stene, ktorá reguluje dotvarovanie tlakového -prierezu-) ohrievača v prevádzke je vyššia ako teplota vonkajšieho plášťa nameraná v procesnej kvapaline. Teplotný rozdiel naprieč stenou je ΔT=(q × t) / k, kde q je tepelný tok (W/m2), t je hrúbka steny a k je tepelná vodivosť 316 (asi 20 W/m·K pri 500 stupňoch). Pre typický ohrievač vody s teplotou vonkajšieho plášťa 90 stupňov a hrúbkou steny 1,5 mm je teplota vnútorného plášťa len o 1-2 stupne vyššia, čo je zanedbateľné. Ak je teplota vonkajšieho plášťa 600 stupňov, teplota vnútorného plášťa môže byť 620-630 stupňov z dôvodu poklesu teploty cez stenu, čo výrazne zníži životnosť. Tepelný tok by sa mal použiť na určenie vypočítanej teploty vnútornej steny, keď sa namiesto zaznamenanej vonkajšej teploty použijú údaje o tečení. Creep nie je život obmedzujúcim režimom zlyhania vo väčšine aplikácií ponorného ohrevu v kvapalinách. Pri ohreve vzduchu a plynu nad 500 stupňov vonkajšej teploty sa musí špecificky zvážiť dotvarovanie.

Zhrnutie: Aplikácia údajov o tečení na návrh 316 ohrievačov

Pre zapuzdrené ohrievače z nehrdzavejúcej ocele 316 s vnútornou teplotou 500 stupňov je maximálne povolené napätie obruče pre životnosť 100 000 hodín (11,4 roka) pri pretrhnutí pri tečení 85 MPa (odporúčaná povolená konštrukcia). Táto hodnota napätia umožňuje bežným plášťom s malým priemerom (10 mm vonkajší priemer, 1,5 mm stena) vyrovnať sa s vnútorným tlakom až do 300 barov, čo je oveľa viac ako bežné prevádzkové podmienky. Pri 550 stupňoch je dovolené napätie znížené na 40 MPa a pri 600 stupňoch na 15 MPa, čo obmedzuje životnosť pri tečení pri mnohých konštrukciách ohrievačov. Inžinieri, ktorí potrebujú 316 plášťov na prevádzku pri vysokých teplotách, musia vypočítať teplotu vnútornej steny z tepelného toku a hrúbky steny, potom zvoliť hrúbku steny a prevádzkový tlak tak, aby výsledné napätie obruče neprekročilo prípustné hodnoty v tabuľke pre požadovanú životnosť. Tu opísaná architektúra spája namáhanie pri tečení s teplotou, časom a bezpečnostnými parametrami, takže zákazníci môžu skonštruovať 316 zapuzdrených ohrievačov, ktoré budú nepretržite fungovať 100 000 hodín bez zlyhania pri tečení.