Ar kādu specifisku temperatūras un pielietotā stiepes sprieguma kombināciju 316 l sildītāja apvalks pāriet no šļūdes pārrāvuma uz nogurumu-dominējoša kļūme pie 1 Hz cikliskās slodzes (10 000 000 ciklu)

Augsts vibrācijas{0}}cikla noguruma ierobežojums sildītāju lietojumiem

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} cikli) slodzes.

Šļūdes un noguruma mijiedarbības mehānisms

Augstākā temperatūrā nogurums un šļūde mijiedarbojas. Tīrā noguruma gadījumā bojājumi uzkrājas ciklā kā plastmasas deformācija. Tīrā šļūdes gadījumā bojājumi uzkrājas kā laika funkcija stresa apstākļos. Augstās temperatūrās un zemās frekvencēs (1 Hz ir zema frekvence noguruma pārbaudei) katram ciklam ir maksimālā sprieguma noturība (parasti 0,5 sekundes trīsstūra vilnim ar 1 Hz). Šajā aizturēšanas laikā var attīstīties šļūdes kavitācija. Kopējo bojājumu var uzrakstīt kā lineāru bojājumu summēšanas likumu: (N/Nf) + (t/tr)=Dcrit, kur N ir ciklu skaits, Nf ir ciklu skaits līdz atteicei tīrā noguruma gadījumā (bez šļūdes), t ir laiks, kas pakļauts spriedzei, un tr ir laiks, lai plīstu tīrā šļūde. Nomaiņa notiek, kad abas kaitējuma daļas ir vienādas. Vidējām sildītāja slodzēm (30-100 MPa) pārejas temperatūra ir aptuveni 550-600 grādi 1 Hz slodzei.

Kvantificēts cikliskais (1 Hz) salīdzinājumā ar statisko šļūdes ilgumu dažādās temperatūrās

316 L caurules paraugu statiskā šļūdes pārrāvums un kontrolēta spiešanas-vilkšanas noguruma pārbaude (R=0, trīsstūra viļņu forma, 1 Hz) vienā un tajā pašā maksimālā spriegumā radīja šādus ciklus līdz atteicei un pārejas uzvedībai.

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 noguruma Nr (izturības ierobežojums ~ 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 šļūde (bet izdzīvo 107 ciklus?) Margināls
Pārejas temperatūras frekvences atkarība

Šļūdes bojājumus veicina zemākas frekvences (ilgāks turēšanas ilgums pie maksimālās slodzes). Nogurumu veicina augstākas frekvences Sildītājiem sūkņa -izraisītā vibrācija bieži ir 1 Hz.

Frekvence (Hz) Temperatūra, kurā šļūdes un noguruma radītie bojājumi ir vienādi (maksimālajai slodzei 60 MPa) Temperatūra 10^7 cikla noguruma robeža (MPa, 50% statiskā iznākums)
0.1 500 grāds 525 grādi 0.5 530 grāds 550 grādi 1 550 grāds 575 grādi 2 570 grāds 600 grādi 5 600 grāds 620 grādi Praktiski ieteikumi sildītāju uzstādīšanai ar vibrāciju{10}}

316 L apvalkoti sildītāji, augstas{1}}vibrācijas situācijas. Prasības konstrukcijai un materiāliem 10⁷ ciklam pie 1 Hz.

Maksimālā pieļaujamā mainīgā sprieguma amplitūda 107 cikliem (MPa) Maksimālā darba temperatūra ( grāds ) Ieteicamā sildītāja novietošana Papildu vibrāciju slāpēšana<200 200Standard rigid base200-300 180Rubber isolated, rigidElective 300-400 140Flexible mount (springs) Suggested
400-500 100 Vibrāciju izolācija + nepieciešams elastīgs stiprinājums 500-550 60Peldošs stiprinājums (bez cietiem savienojumiem) Nepieciešams + stresa mazināšana
550-600 30-40 Heat transfer with flexibility for remote mountingRequired (or upgrade to 347) >600 Nepiemēro (vadāma šļūde) Jaunināšana uz 347 vai 310 N/A
Secinājums: nogurums pret līkumu 10 7 cikla mūžam

316 L nerūsējošā tērauda sildītāju apvalkiem pārslēgšanās no noguruma dominējoša uz slīdēšanu notiek pie aptuveni 550-600 grādiem 40–100 MPa slodzēm pie 1 Hz cikliskas slodzes (tipiski sūkņa vibrācijas vai plūsmas vadītas pulsācijas gadījumā). Pie 550 grādiem pieļaujamā alternatīvā sprieguma amplitūda 10⁷ cikliem (apmēram 4 mēneši nepārtrauktas vibrācijas pie 1 Hz) ir 40-60 MPa; pie 600 grādiem tas tiek samazināts līdz 20-40 MPa. Inženieriem, kuri nosaka sildītājus lietošanai ar augstu vibrāciju virs 500 grādiem, ir jāsamazina pieļaujamie spriegumi vai jāmaina uz augstākas temperatūras sakausējumiem (347, 310). Temperatūrā, kas zemāka par 500 grādiem, 316L var izturēt 10⁷ ciklus pie spriegumiem no 100-180 MPa, ja tiek regulēts mainīgais spriegums (vibrācijas amplitūda). Šis šeit parādītais ietvars saista temperatūru, pielietoto ciklisko spriegumu un biežumu ar 10 7 cikla noguruma izturības robežām. Tādējādi pircēji var izvēlēties sildītāju dizainu un montāžas paņēmienus, kas ļauj izvairīties no priekšlaicīgas atteices augsta cikla noguruma dēļ situācijās, kurās ir tendence uz vibrācijām.