A 400 fokos belső falhőmérsékletnél a kombinált belső nyomás és hőtágulási kényszer által okozott maximális egyenértékű feszültség akadályozza meg a 316 rozsdamentes acél fűtőburkolat racsnis meghibásodását

A ciklikus termikus mechanikai terhelés leállási határértéke

A 316 rozsdamentes acél burkolatú elektromos fűtőcső többtengelyű feszültsége, amelyek ciklikus körülmények között, magas hőmérsékleten (400 C-os belső falhőmérsékleten) működnek, például szakaszos folyamatfűtéssel vagy napi be-{2}}kikapcsolású rendszerekkel, a belső nyomógyűrűs feszültség és a hőtágulás által kiváltott axiális feszültség kombinációjának köszönhető. Ha az ekvivalens feszültség ( von Mises ) meghaladja az anyag lerázási határát, a burkolat minden egyes hevítési ciklusban (racsnis) képlékeny feszültséget hoz létre, ami az átmérő fokozatos növekedését (duzzadását) és a végső szakadást eredményezi. A 316 lerázási határa 400 fokon a folyáshatár 1,5-2,0-szerese, a feszültségi aránytól függően. Ha a feszültség nem haladja meg ezt a határt, az anyag néhány ciklus után rugalmasan reagál (elasztikus lerázás). A kilincselési sebesség ciklusonként 0,01-0,1%-kal meghaladja ezt a határt, és a meghibásodás 1000-10000 ciklus után következik be. Ebben a cikkben a maximális ekvivalens feszültséget 316 köpeny racsnimentes működésére számítjuk ki kapcsolt terhelés mellett.

A racsnis mechanizmus többtengelyű terhelés mellett

If a heater sheath is fixed at both ends (e.g. flanges or penetrations in the tank wall), thermal expansion during heating will produce axial compressive stress if the sheath is longer than required by its free length. At the same time, hoop tensile stress is induced by internal pressure, whether from sealed gas expansion or from process pressure. The axial stress may surpass yield in compression during heating and be reversed to tension during cooling. If the von Mises equivalent stress exceeds the cyclic yield strength of the material, the hoop direction is incremented by the amount of plastic strain for each complete heat cycle. This incremental strain builds up with each cycle resulting in a gradual increase in sheath diameter (ratcheting). The ratcheting rate is dependent on the axial-to-hoop stress ratio and mean stress level. For similar loads up to around 1.2× the yield strength, no ratcheting occurs (elastic shakedown). Ratcheting is observed at a low rate (10 -4 to 10 -3 per cycle) between 1.2x and 2.0x yield. Rapid ratcheting leads to failure in hundreds of cycles at >2,0x hozam.

Számszerűsített ekvivalens feszültségi határértékek a racsnis 400 fokos kilincselés megelőzésére

Az alábbi táblázat a 316-os rozsdamentes acél maximális egyenértékű (von Mises) feszültségét adja meg 400 fokon (folyószilárdság kb. 140 MPa) racsnimentes működéshez különböző tervezési élettartamok esetén, a folyáshatár és az abszolút feszültségértékek többszöröseként.

Ekvivalens feszültség (von Mises) a hozam szempontjából (400 fok) Egyenértékű feszültség abszolút (MPa) racsnis alakváltozási arány (ciklus-1%) 2%-os átmérő-növekedési ciklusok (hibakritérium) Ciklusok a szakadásig Ciklikus szervizhez ajánlott<1.0× (<140 MPa) <140 0 (elastic shakedown) >100,000 >200.000 Igen
1,0–1,2× (140–170 MPa) 140–170<0.001 50,000-100,000 80,000-150,000 Yes (low risk)
1,2-1,5× (170-210 MPa) 170-210 0.001-0.005 10,000-50,000 15,000-80 000 Mérsékelt kerékpározáshoz elfogadható
1,5-1,8× (210-250 MPa) 210-250 0.005-0.02 2,500-10,000 4,000-20 000 Margó, monitor
1,8-2,0× (250-280 MPa) 250-280 0.02-0.05 1,000-2,500 1,500-5000 Nem alkalmas nagy ciklusokhoz
2.0-2.5×(280-350 MPa) 280-350 0.05-0.10 200-1,000 300-2,000 Unacceptable >2.5× (>350 MPa) >350 >0.10 <200 <300 Not acceptable
Kombinált terhelések: Ekvivalens feszültség számítása

Egy vékony -falú cső belső nyomása (karikafeszültség σ_θ) és axiális megszorítás (axiális feszültség σ_z) esetén elhanyagolható radiális feszültség mellett a von Mises-ekvivalens feszültség: σ_vM=sqrt(σ_θ2 + σ_σ_z{_θσ) Belső nyomásból származó karikafeszültség: σ_θ=P × D_átlag / 2t. Axiális hőtágulási kényszerfeszültség: σ_z=× E × ΔT × K, ahol K egy kényszertényező (0 a teljesen korlátlan táguláshoz, 1,0 a teljesen korlátozott végekhez, közbenső a részleges kényszerhez). Egy fűtőtestnél, amelynek mindkét vége fix K=1.0 és az axiális feszültség melegítésnél nyomó (negatív), hűtésnél pedig húzó (pozitív). A legmagasabb $\\sigma_{vM}$ akkor következik be, ha az axiális feszültség pozitív (lehűlés), és ugyanolyan előjelű, mint a $\\sigma_\\theta$. σ_z=17e-6 x 180 GPa (400 °C-on, E ~ 170 GPa) x 380=1100 MPa, ha teljesen korlátozott – jóval nagyobb hozam. Egy tipikus 10 mm-es külső átmérőjű, 1,5 mm-es falburkolathoz 400 C-os belső falhőmérsékletnél (Delta T=380C a környezettől). A gyakorlatban a kényszer-enyhítés hajlítással vagy a karima rugalmasságával az effektív K értéket 0,3-0,7-re csökkenti.

Példa gyakorlati felhasználásra és tervezési ajánlásokra

Tételezzünk fel egy 316-os hüvelyt (10 mm OD, 1,5 mm fal) 2 MPa (20 bar) belső nyomással 400 fokon. Karikafeszültség σ_θ=(2x8,5) / (2x1,5)=5.7 MPa (elhanyagolható). Az axiális kényszerhez K=0.5, σz=0.5×1,100=550 MPa (kompressziós fűtés, szakítós hűtés). Az ekvivalens feszültség σ_vM=550 MPa (mivel σ_θ kicsi), ami 3,9-szeres hozam 400 fokon (140 MPa)-jól a gyors kilincselő zónában. Egy ilyen fűtőberendezés 100-200 ciklus alatt kidudorodik és meghibásodik. Ahhoz, hogy a σ_vM 1,2-szeres hozamot (168 MPa) érjünk el, a K-t 0,15-re kell csökkenteni, ezért a rögzítésnek szinte szabadon tágulnia kell. Minden 300 fok felett üzemelő fűtőtestnél a konstrukciónak csúszótámaszokkal, tágulási hurokkal vagy rugalmas csatlakozásokkal kell rendelkeznie, hogy a kényszertényező 0,2 alá csökkenjen.

Helyszíni bizonyíték a racsnis hibára

A racsnis meghibásodások legszembetűnőbb tünete a hüvely átmérőjének egyenletes és tartós tágulása (duzzanat), általában a legforróbb részen 50-200 mm hosszon. A szakadás előtt 2-10%-os átmérőnövekedés tapasztalható. A szakadás hosszirányban hasított (párhuzamos a cső tengelyével), nem pedig kerületileg megrepedt, mivel a kilincselésből származó karikafeszítés nagyobb, mint az axiális feszültség. A törésfelületen ciklikus képlékeny deformáció jelei lehetnek (strandjelölések). Üzemben lévő fűtőberendezések esetében a burkolat átmérőjének időszakos mérése számos helyen, féknyereggel képes érzékelni a racsnis ütést a meghibásodás előtt; az 1%-os átmérőnövekedés azt jelenti, hogy a racsnis élettartamának 25-50%-át használták fel.

Következtetés: Korlátozások kezelése a kilincselés megelőzésére

A maximális ekvivalens feszültség a 316 rozsdamentes acél tokozású fűtőelemek racsnis{0}mentes működéséhez 400 fokos belső falhőmérsékleten körülbelül 1,2-szeres hozam (168 MPa) ciklikus körülmények között. A belső nyomás következtében fellépő karikafeszesség ritkán elég nagy ahhoz, hogy racsnis rázkódást okozzon. A fő igénybevétel az axiális hőtágulási kényszer, amely szilárdan rögzített köpeny esetén 1000 MPa-nál is nagyobb lehet. A szerelési rendszert úgy kell megtervezni, hogy lehetővé tegye a szabad hőtágulást csúszó tömítések, tágulási hézagok vagy rugalmas konzolok segítségével úgy, hogy a K kényszertényező 0,2 alatt legyen. Ahol a teljes korlátozás elkerülhetetlen (pl. nyomás alatti hegesztési rendszerekben), az anyagot nagyobb szilárdságú ötvözetre, például Inconel 625-re kell javítani, vagy az üzemi hőmérsékletet 300 fok alá kell csökkenteni. A jelenlegi architektúra egyenértékű feszültséget korrelál a racsnis sebességgel és a ciklus élettartamával, lehetővé téve a vásárlók számára, hogy 316 hüvelyt adjanak meg, amelyek átmérője nem nő, és nem szakad el a ciklikus termikus{17}}mechanikai igénybevételtől.