Kādos cikliskās slodzes apstākļos 316 nerūsējošā tērauda apvalks termostatā-vadāmais iegremdējamais sildītājs lieces rādiusā rada termisku noguruma plaisāšanu

Liekuma rādiuss: atkārtotas termiskās izplešanās spriedzes mehāniskais fokuss

Priekšlaicīgs U- vai L- formas elementu mehānisks bojājums 316 nerūsējošā tērauda apvalkā esošajos iegremdējamos sildītājos, kas darbojas bieži ieslēgšanas -ciklos ar termostata kontroli, visbiežāk tiek novēroti līkuma rādiusa tuvumā. Tomēr lieces rādiuss ir pakļauts sarežģītiem daudzu asu spriegumiem, ko izraisa stīpas spriegums no iekšējā spiediena, aksiālais spriegums no apsildāmo taisno kāju termiskās izplešanās un lieces spriegums no pašas izliektās sekcijas ģeometriskā ierobežojuma, atšķirībā no apvalka taisnajām daļām, kas sildīšanas un dzesēšanas cikla laikā visā garumā brīvi izplešas un saraujas. Šļūdes relaksācija nodrošina 316 nerūsējošā tērauda spriegumus vienmērīgas nepārtrauktas darbības laikā, un nerodas plaisāšana. Cikliskā darbībā (vairāk nekā 5{10}}10 pilni apkures cikli dienā) bieža elastīga sasprindzinājums izraisa noguruma bojājumu uzkrāšanos. Šajā rakstā ir kvantitatīvi noteikta saistība starp ciklu skaitu, temperatūras starpību, lieces ģeometriju un lūzuma sākšanas ilgumu, kā arī sniegta specifikāciju sistēma augsta cikla lietojumiem.

Termiskās izplešanās nesakritības mehānisms lieces reģionā

Tā kā U-formas 316 apvalks tiek uzkarsēts no apkārtējās vides (20 grādi) līdz darba virsmas temperatūrai (parasti 80{11}}150 grādi ūdens izmantošanai vai aptuveni 300{18}}500 grādi gaisa/gāzes apkurei), katra no taisnajām kājiņām paplašināsies garenvirzienā saskaņā ar 3 termoefektivitātes koeficientu 6. 17 10-6 / grāds . Uz 500 mm taisnas kājas garuma sildītāja ar virsmas temperatūru 120 grādi (ΔT=100 grādi no apkārtējās vides, ieslēdzot) katra kāja izplešas par 0,85 mm. Lai nodrošinātu šo izplešanos, lieces rādiusam, parasti 20-40 mm (1,5 līdz 3 reizes lielāks par caurules ārējo diametru), ir jāizstiepjas. Tomēr lieces apgabals ir arī sildītāja daļa ar biezākajām sienām pēc lieces (ārējais rādiuss kļūst nedaudz plānāks un iekšējais rādiuss biezāks), un tas rada sarežģītu sprieguma sadalījumu. Taisno kāju termiskā izplešanās rada saspiešanas spriegumu karsēšanas laikā uz līkuma iekšējā rādiusa. Stiepes spriegums tiek radīts ārējā rādiusā. Maksimālais stiepes spriegums pie līkuma ārējās šķiedras ir trīs mainīgo lielumu funkcija: temperatūras starpība (ΔT), taisnās kājas garums (L) un lieces rādiuss (R). Vadošais tuvinājums no staru kūļa lieces teorijas dod maksimālo ciklisko deformāciju, ε=ΔTL/2R (1), kur ir Dotajam piemēram ar=17×10−6, ΔT=100 grāds , L=500 mm un R=30 rādiusa izgriezuma rādiuss} mm, ir aptuveni 0,0014 (0,14 %). Šī vērtība ir droša rūdītam 316 nerūsējošajam tēraudam ar noguruma robežu aptuveni 0,2–0,3% deformācijas 10⁷ cikliem. Tomēr, ja ΔT palielinās līdz 300 grādiem (apvalka temperatūra ir 320 grādi, kas raksturīga gaisa sildīšanai), tad deformācija ir 0,42%, kas pārsniedz noguruma robežu, un cikla ilgums ir ierobežots līdz aptuveni 10 000–20 000 cikliem pirms lūzuma sākuma.

Auksts darbs lieces dēļ un tā ietekme uz noguruma ilguma samazināšanos

Mehāniskās liekšanas paņēmiens, lai izgatavotu U-caurules vai L-formas sildītājus, ir saistīts ar ievērojamu aukstu darbu lieces zonā, īpaši ārējā rādiusā. Ja lieces attiecība R/D (lieces rādiuss pret caurules ārējo diametru) ir 2,0, ārējā šķiedra formēšanas procesā cieš no lieces deformācijas ~25-30%, kas atbilst aukstā darba līmenim 20-25%. Šī aukstā apstrāde palielina 316 nerūsējošā tērauda tecēšanas robežu no aptuveni 205 MPa (atkvēlināta) līdz 350-450 MPa, taču ievērojami samazina materiāla elastību un noguruma izturību. Noguruma robeža 20% aukstuma{34}}nostrādāja 316 pie 10{sup 7} cikliem ir samazināta līdz aptuveni 0,10-0,15% deformācijas, kas ir mazāk nekā uz pusi mazāk nekā atkausētā materiāla. Atsaucoties uz augstāk esošā gaisa sildīšanas gadījumu (ΔT=300 grāds, L=500 mm, R=30 mm, deformācija=0.42 %), auksti apstrādātais līkums neizdosies mazāk nekā 1000 ciklos. Praktiskais rezultāts ir tāds, ka sildītāji, kas izgatavoti no rūdītām caurulēm, kas ir izliektas bez pēclocīšanas atlaidināšanas, nav piemēroti lietošanai, kas ietver vairāk nekā 1000 temperatūras ciklus. Liela cikla lietojumiem (piemēram, tvertņu sildītāji, braucot ar velosipēdu 20 reizes dienā, 300 dienas gadā, 5 gadus=30000 ciklu) ir nepieciešama pilnīga atlaidināšana pēc lieces, lai atjaunotu lieces apgabala noguruma īpašības.

Droša ciklu skaita novērtējums atkarībā no darbības parametriem un lieces ģeometrijas

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 piedāvā atbilstošu noguruma izturību. Lietojumprogrammās ar vairāk nekā 100 000 cikliem (ātrās{4}}ciklu sistēmas, piemēram, karstā ūdens sildītāju izmantošanas vieta) ir nepieciešami īpaši dizaina risinājumi, piemēram, taisni un -izliekti sildītāji, elastīgi savienojumi vai samazināts jaudas blīvums, lai samazinātu ΔT.

Liekuma rādiusa attiecība (R/D) pēc-Liekuma termiskās apstrādes maksimālā apvalka ΔT ciklā (grāds ) Aptuvenie cikli līdz plaisas sākumam (10% neizdošanās) Ieteicamie maksimālie cikli drošai apkalpošanai Tipiska pielietojuma piemērotība
1.5 Nav (kā-saliekts) 50 50,000 10,000 Zems cikls, silts ūdens (mazs ΔT)
1.5 Nav (kā-saliekts) 150 2,000 1,000 Standarta ūdens sildīšana, ierobežota riteņbraukšana
1.5. Nav (kā-saliekts) 300 200 100 Gaisa sildīšana; nav paredzēts biežai braukšanai ar velosipēdu
2.0 None (as-bent) 50 >100,000 20 000 Piemērots mēreni silta ūdens cikliem
2.0 Nav (kā-saliekts) 150 5,000 2,000 Pieņemams periodiskai ūdens izmantošanai
2.0 Nav (kā-saliekts) 300 500 200 Gaisa robeža; izvairieties no regulāras riteņbraukšanas
3.0 Nav (kā saliekts) 150 15,000 5,000 Taisnīgs, dod priekšroku rūdīšanai augstiem cikliem
3.0 Full solution anneal (1040 °C + quench) 150 >200,000 50,000 Lieliska augsta cikla ūdens sildīšana
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 Labākais jebkuram augsta-cikla, augsta-ΔT pakalpojumam
Termiskā noguruma plaisāšanas un atteices analīzes lauka indikatori

Termiskā noguruma plaisām lieces rādiusā ir īpašas īpašības, kas tās atšķir no cita veida atteices mehānismiem, piemēram, sprieguma korozijas plaisāšanas (SCC) vai punktveida plaisām. Noguruma plaisas parasti ir pa apkārtmēru (perpendikulāri caurules asij) un rodas līkuma ārējā rādiusā, tieši tur, kur cikliskā stiepes deformācija ir vislielākā. Tie sākas no ārējās virsmas un virzās iekšā, bieži vien daudzās paralēlās plaisās 2-5 mm attālumā viens no otra. Pludmales marķējumi vai svītras palielinājumā uz lūzuma virsmas norāda uz plaisu progresējošu izplatīšanos daudzos ciklos. SCC lūzumi parasti ir zarojoši, starpgranulāri (transgranulāri 316. gadā augstākā temperatūrā) un saistīti ar hlorīda iedarbību. Par bedrīšu defektiem ir izolēti caurumi, nav plaisu. Salīdziniet darbības ciklu skaitu un temperatūras starpību neveiksmīgam sildītājam līkumā ar iepriekš sniegto tabulu. Ja pielietojuma parametri bija drošajā zonā, bet kļūme joprojām radās, visticamākie cēloņi ir: pārāk stingrs izliekums (R/D < 2,0), pēclieces atlaidināšanas trūkums vai ražošanas defekts, piemēram, iegriezums vai šuve caurulē lieces pozīcijā. Kvalitātes nodrošināšana tiek nodrošināta pircējiem, kuriem ir nepieciešami sildītāji cikliskai lietošanai, pieprasot radiogrāfisku vai krāsu caurlaidības pārbaudi lieces apgabalā pēc lieces un atlaidināšanas, un pieņemšanas kritērijs nav virsmas plaisu vai kroku neesamība.

Termiskās deformācijas samazināšanas stratēģijas līkumā

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 un pārvērtiet līkumu par slīdēšanu, kas rada zemu deformāciju termiskās izplešanās laikā. Otrais ir uzstādīt sildītāju ar peldošu vai bīdāmu atloku, lai viss sildītājs varētu pārvietoties aksiāli sildīšanas un dzesēšanas laikā, nevis droši turēt abus galus. Efektīvo L deformācijas vienādojumā samazina uz pusi, izmantojot sildītāju, kura viens gals ir fiksēts un otrs gals brīvi kustas cauri slīdošajam blīvējumam (izplešanās notiek tikai no fiksētā punkta uz āru). Trešais paņēmiens ir samazināt jaudas blīvumu un tādējādi samazināt apvalka temperatūras starpību (ΔT) normālas darbības apstākļos. Jaudas blīvuma samazināšanās no 8 W/cm2 līdz 4 W/cm2 parasti samazina apvalka temperatūru no 120 grādiem līdz 90 grādiem, ΔT no 100 grādiem līdz 70 grādiem un ciklisko deformāciju proporcionāli ūdens sildīšanai. Esošajām instalācijām, kurās rodas noguruma kļūmes, modernizēšana ar mīkstās -startēšanas kontrolieri, kas palielina spriegumu par 5-10 sekundēm, samazina termisko triecienu, bet pilnībā nenovērš kumulatīvo spriedzi no pilnas ΔT katrā ciklā – tikai samazinot iestatītās temperatūras temperatūru vai cikla biežumu, tiek ievērojami pagarināts kalpošanas laiks.

Noslēgumā: saskaņojiet līkumu dizainu ar ciklu skaitu, lai nodrošinātu uzticamu pakalpojumu

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 ir nepieciešami, lai izvairītos no agrīnas lūzuma veidošanās. Norādiet R/D, kas ir lielāks par vai vienāds ar 4,0 ar pilnu šķīduma atlaidināšanu un peldošu montāžu ātrās-riteņbraukšanas sistēmām vai augstas{4}}temperatūras gaisa sildīšanai. Cikliskai lietošanai inženieriem, pērkot sildītājus, ir jāpieprasa lieces rādiusa attiecības sertifikācija un pēc-liekuma termiskā apstrāde. Izmantojot šeit aprakstīto arhitektūru, tiek iegūta sakarība starp līkuma formu, aukstā darba stāvokli un ciklu skaitu ar paredzamo noguruma kalpošanas laiku, lai pircēji varētu norādīt 316 apvalkotus sildītājus, kas iztur nepieciešamo termisko ciklu skaitu bez plaisām līkumā.