Kā termiskās izplešanās neatbilstība starp titāna sildītāja cauruli un tās stiprinājuma atloku ietekmē cikliskā noguruma kalpošanas laiku zem tvaika apkures?

Titāna sildītāja caurules tiek izmantotas tvaika sildīšanas programmās, iegremdētas kondensātā vai tiešā saskarē ar tvaiku temperatūrā no 100 grādiem līdz 160 grādiem. Sildītāja caurule parasti ir metināta vai mehāniski piestiprināta pie montāžas atloka, kas izgatavots no cita materiāla, parasti no oglekļa tērauda, ​​nerūsējošā tērauda vai ar PTFE{3}}oderētu tēraudu. Katram materiālam ir savs termiskās izplešanās koeficients (CTE). Titāna 2. pakāpes CTE ir aptuveni 8,6 × 10-6/grādi. Oglekļa tērauda CTE ir 12,0 × 10⁻⁶ / grāds. Nerūsējošais tērauds 316 CTE=16.0 x 10-6/grādi Tvaika sildīšanas cikli uzsilda sistēmu no apkārtējās vides (20 grādi) līdz darba temperatūrai (120-160 grādi) un atdzesē. Izplešanās atšķirība starp titāna cauruli un tās stiprinājuma atloku rada cikliskus spriegumus piestiprināšanas vietā. Šī termiskās izplešanās neatbilstība izraisa noguruma plaisāšanu bieži vien pie metinātās daļas vai caurules un atloka saskarnes simtiem vai tūkstošiem ciklu.

Termiskā noguruma mehānisms CTE neatbilstības dēļ

Sistēmai uzkarstot, montāžas atloks izplešas vairāk nekā titāna caurule (tērauda atlokiem) vai mazāk nekā titāna caurule (dažiem konkrētiem sakausējumiem). Piestiprināšanas vietā caurule ir ierobežota ar atloku. Šis ierobežojums rada cikliskus aksiālos spriegumus caurules -stiepes spriegumos, kad atloka karsēšanas laikā izplešas vairāk nekā titāns, un spiedes spriegumus dzesēšanas laikā. Cikliskās deformācijas lielums ir proporcionāls CTE starpības, temperatūras svārstību un attāluma no neitrālās ass reizinājumam. Parastam 200 mm garumā no atloka virsmas līdz pirmajam balstam 100 grādu temperatūras svārstības ar CTE starpību 4 × 10-6/grādi nodrošina aptuveni 0,08 mm diferenciālo nobīdi katrā ciklā. Šis pārvietojums, kas lokalizēts metinātajā vai mehāniskajā savienojumā, izraisa lokālus deformācijas, kas lielākas par 0,2%, kas ir zema cikla noguruma diapazonā.

Noguruma mūža kvantitatīvais rādītājs, pamatojoties uz atloka materiālu

2. klases titāna caurulēm, kas savienotas ar dažādiem atloku materiāliem, izmantojot kontrolēta cikla testēšanu (100 grādu temperatūras svārstības, 5 minūšu karstums, 5 minūšu dzesēšana), ir iegūts šāds noguruma ilgums:

Titāna atloka (atbilst CTE, 8,6 x 10-6 / grāds): noguruma kalpošanas laiks > 100 000 ciklu. Nav termiskās izplešanās neatbilstības. Metinātā šuve izjūt tikai spiedienu un vibrāciju. Vēlamais izkārtojums tvaika sildīšanai ar augstu riteņbraukšanu.

Oglekļa tērauda atloks (CTE neatbilstība 3,4 x 10-6/grāds) Noguruma kalpošanas laiks 8000-12000 cikli līdz plaisas sākumam. Plaisas parasti veidojas netālu no metinājuma purngala pēc 5000 līdz 7000 cikliem. Piemērots lietošanai mazāk par 2 cikliem dienā (10+ gadu kalpošanas laiks).

Nerūsējošā tērauda 316 atloka (CTE neatbilstība 7,4 × 10⁻⁶ / grāds): noguruma kalpošanas laiks 2500–4000 cikli līdz lūzuma sākumam. Lielā CTE neatbilstība rada milzīgu ciklisku stresu. Nelietot ikdienas tvaika riteņbraukšanai.

Inconel atloks (CTE 13,0 × 10–6 / grāds, neatbilstība 4,4 × 10–6 / grāds): noguruma kalpošanas laiks 1500–2500 cikli Tāpat kā nerūsējošais tērauds. Titāna{11}}Inconel metināšana rada arī galvaniskās korozijas risku kondensātā.

Tērauda atloks ar PTFE oderējumu (PTFE CTE 100 x 10⁻⁶ / grāds, bet ierobežots ar tēraudu): sarežģīta darbība. PTFE starplika deformējas plastiski, atvieglojot titāna caurules ierobežojumu. Labs oderes dizains, noguruma kalpošanas laiks 15 000-20 000 ciklu.

Tvaika apkures pakalpojuma atloka materiāla izvēles rokasgrāmata

Zemāk esošajā tabulā ir sniegts lēmumu pamatojums montāžas atloku materiālu izvēlei, pamatojoties uz tvaika sildīšanas cikla biežumu un darba temperatūru.

Tvaika sildīšanas cikla biežuma un temperatūras ieteicamais atloka materiāla CTE neatbilstības risinājums<1/day cycle, 100-120o C steamFlexible transition piece for carbon steel titaniumLow cycle count carbon steel is fine. Use a thin (2 mm) titanium spacer for stress distribution.
1–5 cikli dienā, 120–140 grādu tvaiks Titāna atloks (2. klase), kas tieši piemetināts caurulei. Termiskais nogurums kā atteices režīms tiek novērsts ar saskaņotu CTE. Atlokam ir augstākas sākotnējās izmaksas.
5-20 cikli dienā, tvaiks 140-160 grādos Titāna atloks ar silfona izplešanās savienojumu. Silfoni nodrošina diferenciālu izplešanos. Nepieciešams smago velosipēdu apkopei. Ilgāks kalpošanas laiks attaisno papildu izmaksas.
Esošais oglekļa tērauda atloks, bieži jāpārvietojas Pārbūvēts ar elastīgu grafīta blīvi (biezums 3 mm) Blīve saspiež 0,3-0,5 mm ciklā, absorbē termisko nobīdi. Ikgadējā blīves maiņa.
Tvaika sildīšana ar ūdens slāpētāju (termiskais trieciens, ātra dzesēšana)Tikai titāna atloks Ātrā pārvietošanās palielina CTE neatbilstības efektus. Jebkurš cits metāla atloks neizdosies 500 ciklos.
Inženierzinātnes tikai ar atloku materiāliem

Caurules diametrs un sienas biezums ietekmē sprieguma koncentrāciju atloka stiprinājuma vietā. Plašāks caurules diametrs (50 mm pret 25 mm) sadala ciklisko deformāciju lielākā rādiusā, samazinot lokālo spriegumu par 30–40%. Biezākas sienas (2,0 mm pret . 1.0 mm) nodrošina lielāku izturību pret noguruma plaisas izplatīšanos, tiklīdz tā ir uzsākta. Tikpat svarīga ir arī metinājuma konstrukcija: pilna caurduršanas šuve ar vienmērīgu pāreju (bez asu iecirtumu caurules -atloka savienojumā) pagarina noguruma kalpošanas laiku 3-5 reizes, salīdzinot ar šuves šuvi ar apakšējo griezumu. Sprieguma samazināšana pēc metināšanas (550 grādi 30 minūtes) samazina atlikušos metināšanas spriegumus, kas palielinās līdz termiskā cikla spriegumiem.

Pārliecināti precizējot

Pasūtot titāna sildītāja cauruli tvaika sildīšanas pakalpojumam, izvēlieties tādas pašas kvalitātes titāna atloku kā caurules materiāls. Ja budžeta ierobežojumu dēļ lietojumam ir jāizmanto oglekļa tērauda atloks, norādiet elastīgu pārejas posmu-50–100 mm garu plānas-sienu titāna cauruli (0,8 mm)-starp stingro atloku un apkures cauruli. Atbilstošā daļa elastīgi deformējas temperatūras ciklā un absorbē izplešanās neatbilstību, nesabojājot metinājumu. Atrodiet vidējo termisko ciklu skaitu sildītāja kalpošanas laikā. Ir pieņemams elastīgs pārejas oglekļa tērauds 10 000 vai mazāk cikliem. Norādiet titāna atloku tikai cikliem, kas pārsniedz 10 000. Katru gadu apkopes laikā pārbaudiet caurules-atloka metinājumu, izmantojot krāsvielu caurlaides līdzekli. Visas plaisāšanas pēdas ir nekavējoties jālabo vai jānomaina. Inženieris izvairās no slēptām kļūmēm, ko izraisa tvaika -sildāmo sistēmu termiskais nogurums, pieskaņojot atloka materiālu titāna caurulei vai nodrošinot spriedzi{19}}absorbējošas funkcijas.