Kāds maksimālais pieļaujamais loka spriegums pie 500 grādu iekšējā apvalka temperatūras regulē 316 nerūsējošā tērauda sildītāja caurules 100 000 stundu šļūdes plīsuma kalpošanas laiku

Dizaina stresa pamats kalpošanas laikam paaugstinātā temperatūrā

316 nerūsējošā tērauda apšuvuma elektriskās sildīšanas caurulēm, ko izmanto augstas temperatūras gaisa vai gāzes apkurei ar 500 grādu iekšējo metāla temperatūru, un apvalku iekšējās sienās, kas iegremdētas zemākas temperatūras šķidrumos, maksimālais pieļaujamais stīpas spriegums 100 000 stundu šļūdes pārrāvuma laikam ir svarīgs konstrukcijas parametrs. Telpas temperatūras projektēšanā tecēšanas robeža ir pieļaujamā sprieguma pamats, turpretim augstas temperatūras konstrukcijai ierobežotai darbībai sprieguma līmeņi ir tādi, ka komponents neplīsīs šļūdes kavitācijas un graudu robežas plaisāšanas dēļ tās paredzētā kalpošanas laikā. 316 nerūsējošajam tēraudam 500 grādu temperatūrā vidējais spriegums, kas izraisa plīsumu 100 000 stundu laikā (apmēram 11,4 nepārtrauktas darbības gadi), ir aptuveni 120–140 MPa atkarībā no īpašās siltuma ķīmijas un graudu lieluma. Maksimālais pieļaujamais loka spriegums ir 80-95 MPa ar parasto drošības koeficientu 1,5 projektēšanai pret šļūdes pārrāvumu (ASME VIII sadaļas 2. nodaļas metode). Rakstā sniegti kvantitatīvi dati par šļūdes plīsuma spriegumu 316 sildītāja apvalkiem temperatūras diapazonā no 450 grādiem līdz 650 grādiem un metodika droša darba spiediena un sienu biezuma aprēķināšanai paaugstinātas temperatūras apkalpošanai.

Šļūdes pārrāvuma mehānisms un Larsona{0}}Millera kritērijs

316 nerūsējošā tērauda šļūdes plīsums notiek graudu robežas kavitācijas un plaisu izplatīšanās rezultātā. Pārrāvuma laiks mainās atkarībā no temperatūras saskaņā ar Arrēnija attiecību un no spriedzes saskaņā ar apgriezto spēka likumu. Larson-Millera parametrs (LMP=T × (C + log t_r), kur T ir absolūtā temperatūra Kelvinos, t_r ir pārrāvuma laiks stundās un C ir materiāla konstante, kas parasti ir 15-20 austenīta nerūsējošajiem tēraudiem) ir veids, kā ekstrapolēt īstermiņa šļūdes testa datus, lai pagarinātu kalpošanas laiku. 316 ir veikta plaša pārbaude, lai noteiktu 100 000 stundu šļūdes plīsuma izturību pie 500 grādiem starp 110 MPa (apakšējā robeža, 95 % ticamība) un 150 MPa (augšējā robeža) ar normālu vidējo vērtību 130 MPa. Pārrāvuma izturība pie 100 000 stundām ir 60-90 MPa pie 550 grādiem. Un pie 600 grādiem tas pazeminās līdz 30-50 MPa. Pie 650 grādiem 100 000 stundu pārrāvuma izturība ir tikai 15-25 MPa. Tas ir mazāks par loka spriegumu, ko rada iekšējais spiediens vairumā sildītāju konstrukciju, un tas nozīmē, ka 316 nevar sasniegt 100 000 stundu kalpošanas laiku 650 grādu temperatūrā neatkarīgi no tā, cik bieza ir siena, jo šļūdes plīsums būs neizbēgams. Praktiskais rezultāts ir tāds, ka 316 apvalkoto sildītāju, kas būvēti 100 000 stundu (11,4 gadu) nepārtrauktai darbībai, ir jākonstruē tā, lai maksimālā darba apvalka temperatūra atkarībā no iekšējā spiediena nebūtu lielāka par 530-550 grādiem.

Pieļaujamais stīpas stress, aprēķināts 100 000 stundu kalpošanas laikam.

Tabulā 4.3 parādīts maksimālais pieļaujamais stīpas spriegums 316 nerūsējošā tērauda sildītāja caurulēm ar šļūdes pārrāvuma laiku 100 000 stundu temperatūrā no 450 grādiem līdz 650 grādiem. Tiek nodrošinātas trīs sprieguma vērtības, ti, vidējais spriegums līdz pārrāvumam (50% izdzīvošana), apakšējā robežspriegums (95% izdzīvošana, API/ASME projektēšanas bāze) un ieteicamais projektētais pieļaujamais spriegums (apakšējā robeža dalīta ar drošības koeficientu 1,25-1,5 atkarībā no koda. Sildītāja konstrukcijai, izmantojot norādīto pieņemamo pieļaujamo spriegumu, jāaprēķina maksimālais iekšējais spiediens) P formula.=2 t σ atļaut / D vidējais, kur t ir sienas biezums, D vidējais ir vidējais diametrs.

Temperatūra ( grāds ) Vidējais pārrāvuma spriegums (MPa) 100 000 h Apakšējā robeža (95% izdzīvošana) Plīsuma spriedze (MPa) Ieteicamais dizains pieļaujamais spriegums (MPa) (SF=1.4 uz apakšējās robežas) Maksimālais stīpas spriegums 100 000 stundu ekspluatācijas laika ierobežojums (MPa) 475 170-200 145-175 100-125 110 Drošs lielākajai daļai sildītāju
500 120-150 100-130 70-95 85 Standarta konstrukcijas bāze 525 85-110 70-95 50-70 60 Nepieciešams samazināts dizains 550 60-80 45-65 30-45 40 Īss-darbs vai tikai zems-spriegums 575 40-55 30-45 20-30 25 Nepārtrauktas ekspluatācijas robežvērtība 600 25-40 18-30 12-20 15 Nav ieteicama 100 000 h 625 15-25 10-18 7-12 10 Nepieņemama ilgstošai darbībai
650 10-15 5-10 3-7 5 316 nav piemērots; jaunināšanas sakausējums
Iekšējā spiediena un sienas biezuma pārveidošana par pieļaujamo spriegumu

Ieteicamais projektētais pieļaujamais stīpas spriegums parastajam 316 sildītāja apvalkam ar 10 mm ārējo diametru un 1,5 mm sienas biezumu (vidējais diametrs 8,5 mm) ir 85 MPa pie 500 grādos, kas nodrošina maksimālo iekšējo spiedienu P_max=(2 1.5 85) ​​/ {{90} MPa (3). Tas ievērojami pārsniedz jebkuru iespējamo spiedienu iegremdējamā sildītāja ekspluatācijā, parādot, ka šļūdes plīsums pie 500 grādiem nav ierobežojošais faktors šādam sildītājam – dominēs citas problēmas, piemēram, oksidēšanās vai termiskais nogurums. Pie liela diametra apvalkiem vai augstas temperatūras šļūde kļūst ierobežojoša. 20 mm OD apvalkam ar 2,0 mm sienu (vidējais diametrs 18 mm) pie 550 grādiem (pieļaujamais spriegums 40 MPa) maksimālais iekšējais spiediens ir tikai Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 bar). Tas var būt par maz sildītājam 550 grādu temperatūrā zem spiediena (piemēram, pārkarsēts ūdens vai tvaiks 80-100 spiedienā). Projektētājam jāpalielina sienas biezums, jāsamazina temperatūra, samazinot jaudas blīvumu, vai jāatjaunina materiāls.

Faktori, kas ietekmē šļūdes plīsuma stiprumu

Šļūdes pārrāvuma stiprības tabulā norādītas 316 pilnībā atkausētai ASTM 6-8 (30-50 m) graudu izmēram. Trīs lietas maina šīs vērtības. Pirmais ir graudu izmērs. Rupjgraudains materiāls (ASTM 3-5, 50-80 µm) uzrāda par 10-20% lielāku šļūdes pārrāvuma izturību tajā pašā temperatūrā nekā smalkgraudains materiāls, jo graudu robežas ir dominējošās šļūdes kavitācijas vietas un rupjāki graudu izmēri nozīmē mazāku robežu uz materiāla tilpuma vienību un līdz ar to arī mazāku blīvumu. Pārejot uz minimālo graudu izmēru ASTM 5, var nodrošināt papildu rezervi. Otrais komponents ir iepriekšējs aukstuma apstrāde: 10-20% aukstā apstrāde palielina sākotnējo izturību, bet izraisa ātru spriedzes atbrīvošanos un pārkristalizāciju aptuveni 500-600 grādu temperatūrā, kā rezultātā ilgstošā šļūdes izturība ir sliktāka nekā pilnībā atkausētam materiālam. Pilnībā atkvēlināta ir labāka ierobežotai lietošanai. Trešais punkts ir karbīdu sadalījums. Materiāls ar smalkiem intragranulāriem karbīdiem (no pareizas šķīduma atkvēlināšanas) nodrošina nokrišņu stiprināšanu, kas palielina šļūdes pretestību. Rupji, graudu robežu karbīdi (sensibilizācija) samazina šļūdes izturību, jo karbīdi darbojas kā dobumu veidošanās vietas. Smalki intragranulāri karbīdi šķīduma atkvēlinātas mikrostruktūras iekšpusē ir nepieciešami lietošanai ar ierobežotu šļūde

Praktiska apvalka temperatūras noteikšana šļūdes mūža aprēķiniem

Sildītāja iekšējā apvalka temperatūra (metāla temperatūra pie iekšējās sienas, kas regulē spiediena -saturošā šķērsgriezuma-slīpumu) ir augstāka par ārējā apvalka temperatūru, kas mērīta procesa šķidrumā. Temperatūras starpība visā sienā ir ΔT=(q × t) / k, kur q ir siltuma plūsma (W/m2), t ir sienas biezums un k ir siltumvadītspēja 316 (apmēram 20 W/m·K pie 500 grādiem). Tipiskam ūdens sildītājam ar ārējās apvalka temperatūru 90 grādi un sienas biezumu 1,5 mm iekšējā apvalka temperatūra ir tikai par 1-2 grādi augstāka, kas ir niecīgi. Ja ārējā apvalka temperatūra ir 600 grādi, iekšējā apvalka temperatūra var būt 620–630 grādi, jo temperatūra samazinās visā sienā, kas ievērojami samazinās šļūdes kalpošanas laiku. Siltuma plūsma ir jāizmanto, lai noteiktu aprēķināto iekšējās sienas temperatūru, ja tiek izmantoti šļūdes pārrāvuma dati, nevis reģistrētā ārējā temperatūra. Šļūde nav kalpošanas laiku ierobežojošs atteices režīms lielākajā daļā iegremdēšanas sildīšanas lietojumu šķidrumos. Gaisa un gāzes apkurei virs 500 grādiem ārējā temperatūra ir īpaši jāņem vērā.

Kopsavilkums: Šļūdes pārrāvuma datu pielietošana 316 sildītāju projektēšanā

316 nerūsējošā tērauda sildītājiem ar iekšējo temperatūru 500 grādi maksimālais pieļaujamais loka spriegums 100 000 stundu (11,4 gadi) šļūdes pārrāvuma kalpošanas laikam ir 85 MPa (ieteicamā konstrukcija ir pieļaujama). Šī sprieguma vērtība ļauj parastajiem maza diametra apvalkiem (10 mm OD, 1,5 mm siena) izturēt iekšējo spiedienu līdz 300 bāriem, kas ir daudz vairāk nekā parastie ekspluatācijas apstākļi. Pie 550 grādiem pieļaujamais spriegums tiek samazināts līdz 40 MPa un pie 600 grādiem līdz 15 MPa, tādējādi ierobežojot šļūdes plīsuma kalpošanas laiku daudzām sildītāju konstrukcijām. Inženieriem, kuriem augstas temperatūras apkalpošanai nepieciešami 316 apvalki, iekšējās sienas temperatūra jāaprēķina no siltuma plūsmas un sienas biezuma, pēc tam jāizvēlas sienas biezums un darba spiediens, lai stīpas spriegums nepārsniegtu tabulā norādītās pieļaujamās vērtības vēlamajam kalpošanas laikam. Šeit aprakstītā arhitektūra saista šļūdes pārrāvuma spriegumu ar temperatūru, laiku un drošības parametriem, lai klienti varētu izveidot 316 apvalkotus sildītājus, kas nepārtraukti darbosies 100 000 stundas bez šļūdes atteices.