Kāds maksimālais ekvivalentais spriegums no kombinētā iekšējā spiediena un termiskās izplešanās ierobežojuma pie 400 grādu iekšējās sienas temperatūras novērš 316 nerūsējošā tērauda sildītāju apvalku sprūdrašanos

Cikliskās termiskās mehāniskās slodzes samazinājuma robeža

Daudzasu sprieguma stāvoklis 316 nerūsējošā tērauda apvalkotās elektriskās sildīšanas caurulēs, kas darbojas cikliskos apstākļos paaugstinātā temperatūrā (400 C iekšējās sienas temperatūrā), piemēram, periodiska procesa sildīšana vai sistēmās ar ikdienas ieslēgšanas -izslēgšanās cikliem, ir saistīts ar iekšējā spiediena stīpas spriegumu un termiskās izplešanās izraisīto aksiālo spriegumu. Ja ekvivalentais spriegums (fon Mises) pārsniedz materiāla satricinājuma robežu, apvalks katrā karsēšanas ciklā (spraukstēšanās) veidos plastmasas spriedzi, kā rezultātā pakāpeniski palielinās diametrs (pietūkums) un galīgi plīsīs. Izkraušanas robeža 316 pie 400 grādiem ir aptuveni 1,5 līdz 2,0 reizes lielāka par tecēšanas robežu atkarībā no sprieguma attiecības. Ja spriegums nepārsniedz šo robežu, materiāls elastīgi reaģēs pēc dažiem cikliem (elastīgā satricināšana). Sprūdratuma ātrums ir par 0,01–0,1 % deformācijas/cikla virs šīs robežas, un atteice notiek pēc 1000–10 000 cikliem. Šajā rakstā maksimālais ekvivalentais spriegums ir aprēķināts 316 apvalku brīvai darbībai savienotās slodzēs.

Sprūdrata mehānisms pie daudzaksiālās slodzes

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 raža.

Kvantitatīvie līdzvērtīgie sprieguma ierobežojumi, lai novērstu sprūdratu pie 400 grādiem

Zemāk esošajā tabulā ir norādīts maksimālais ekvivalentais (von Mises) spriegums 316 nerūsējošajam tēraudam pie 400 grādiem (ražošanas stiprums aptuveni 140 MPa) brīvai darbībai ar sprūdratu dažādiem konstrukcijas kalpošanas laikiem, kas attēlots kā tecēšanas robežas un absolūtā sprieguma vērtību reizinājums.

Ekvivalentais spriegums (fon Mises) ienesīguma izteiksmē (400 grādi) Ekvivalents sprieguma absolūtais (MPa) sprūdrades deformācijas ātrums (% cikls-1) Cikli līdz 2% diametra palielināšanai (atteices kritērijs) Cikli līdz pārrāvumamIeteicams cikliskai apkopei<1.0× (<140 MPa) <140 0 (elastic shakedown) >100,000 >200 000 Jā
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 Pieņemams mēreni riteņbraukšanai
1,5–1,8 × (210–250 MPa) 210-250 0.005-0.02 2,500–10,000 4,000–20 000 robežvērtība, monitors
1,8-2,0× (250-280 MPa) 250-280 0.02-0.05 1,000-2,500 1,500-5000 Nav piemērots lieliem cikliem
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
Kombinētās slodzes: Ekvivalenta sprieguma aprēķins

Plānas -sienu caurulei ar iekšējo spiedienu (stīpas spriegums σ_θ) un aksiālo ierobežojumu (aksiālais spriegums σ_z) ar nenozīmīgu radiālo spriegumu fon Mises ekvivalentais spriegums ir: σ_vM=sqrt(σ_θ2 + σ_σ_z{_θσ) Stīpas spriegums no iekšējā spiediena: σ_θ=P × D_vidējais / 2t. Aksiālās termiskās izplešanās ierobežojuma spriegums: σ_z=× E × ΔT × K, kur K ir ierobežojuma faktors (0 pilnīgi neierobežotai izplešanai, 1,0 pilnīgi ierobežotiem galiem, starpposms daļējai ierobežojumam). Sildītājam ar fiksētiem K=1.0 abiem galiem un aksiālais spriegums ir spiedošs (negatīvs) sildīšanai un stiepes (pozitīvs) dzesēšanai. Lielākais $\\sigma_{vM}$ rodas, ja aksiālais spriegums ir pozitīvs (dzesē) un ar tādu pašu zīmi kā $\\sigma_\\theta$. σ_z=17e-6 x 180 GPa (pie 400 °C, E ~ 170 GPa) x 380=1100 MPa, ja pilnībā ierobežots — daudz vairāk par ienesīgumu. Tipiskam 10 mm OD, 1,5 mm sienas apvalkam pie 400 C iekšējās sienas temperatūras (Delta T=380C no apkārtējās vides). Praksē ierobežojumu mazināšana ar saliekšanu vai atloka elastību samazina efektīvo K līdz 0,3-0,7.

Praktiskās izmantošanas un dizaina ieteikumu piemērs

Pieņemsim 316 apvalku (10 mm OD, 1,5 mm siena) ar iekšējo spiedienu 2 MPa (20 bāri) pie 400 grādiem. Stīpas spriegums σ_θ=(2x8,5) / (2x1,5)=5.7 MPa (niecīgs). Aksiālajam ierobežojumam K=0.5, σz=0.5×1,100=550 MPa (spiedes sildīšana, stiepes dzesēšana). Ekvivalentais spriegums σ_vM=550 MPa (jo σ_θ ir niecīgs), kas ir 3,9 reizes pie 400 grādu (140 MPa)-atbilstoši ātrai sprūdrata zonai. Šāds sildītājs izliektos un sabojātos 100 līdz 200 ciklos. Lai iegūtu σ_vM līdz 1,2 x ražīgumu (168 MPa), K ir jāsamazina līdz 0,15, tāpēc stiprinājumam ir jābūt gandrīz brīvam, lai tas varētu izplesties. Jebkuram sildītājam, kas darbojas virs 300 grādiem, konstrukcijai jābūt bīdāmiem balstiem, izplešanās cilpām vai elastīgiem savienojumiem, lai samazinātu ierobežojuma koeficientu līdz mazākam par 0,2.

Lauka pierādījumi par sprūdrata kļūmi

Visspilgtākais sprūdrata defektu simptoms ir vienmērīga un pastāvīga apvalka diametra izplešanās (pietūkums) parasti karstākajā vietā 50-200 mm garumā. Pirms plīsuma var novērot diametra pieaugumu par 2–10%. Pārrāvums ir gareniski sadalīts (paralēli caurules asij), nevis apkārtmērā saplaisājis, jo stīpas deformācija no sprūdrata ir lielāka nekā aksiālā deformācija. Uz lūzuma virsmas var būt cikliskas plastiskas deformācijas pazīmes (pludmales marķējumi). Ekspluatācijā esošiem sildītājiem periodiska apvalka diametra mērīšana daudzās vietās ar suportu var noteikt sprūdrašanu pirms atteices; 1% diametra pieaugums nozīmē, ka ir izmantoti 25-50% no sprūdrata kalpošanas laika.

Secinājums: ierobežojumu pārvaldība, lai novērstu sprūdratu

Maksimālais ekvivalentais spriegums 316 nerūsējošā tērauda apvalkotu sildītāju darbībai bez sprūdrata 400 grādu iekšējās sienas temperatūrā ir aptuveni 1,2 reizes (168 MPa) cikliskos apstākļos. Stīpas spriegums vien iekšējā spiediena dēļ reti ir pietiekami liels, lai radītu sprūdratu. Galvenais spriegums ir aksiālās termiskās izplešanās ierobežojums, kas var būt lielāks par 1000 MPa stingri nostiprināta apvalka gadījumā. Montāžas sistēmai jābūt konstruētai tā, lai nodrošinātu brīvu termisko izplešanos, izmantojot bīdāmās blīves, kompensācijas savienojumus vai elastīgus kronšteinus, lai ierobežojuma koeficients K būtu mazāks par 0,2. Ja pilnīgs ierobežojums ir neizbēgams (piemēram, zem spiediena metinātās sistēmās), materiāls ir jāuzlabo uz augstākas stiprības sakausējumu, piemēram, Inconel 625, vai arī darba temperatūra ir jāsamazina zem 300 grādiem. Pašreizējā arhitektūra korelē līdzvērtīgu spriegumu ar sprūdrata ātrumu un cikla ilgumu, ļaujot pircējiem norādīt 316 apvalkus, kuru diametrs nepalielināsies un nesadalīsies no cikliskās termiskās{17}}mehāniskās slodzes.