Milline maksimaalne ekvivalentne pinge kombineeritud siserõhu ja soojuspaisumise piirangust 400-kraadise siseseina temperatuuri juures takistab 316 roostevabast terasest küttekeha põrkumist

Tsüklilise termilise mehaanilise koormuse alandamise piir

Mitmeteljeline pingeseisund 316 roostevabast terasest mantliga elektriküttetorus, mis töötavad tsüklilistes tingimustes kõrgel temperatuuril (400 C siseseina temperatuur), nagu katkendlik protsessiküte või igapäevaste sisse--väljalülitustsüklitega süsteemid, on tingitud sisemise surverõnga pinge ja soojuspaisumise põhjustatud aksiaalpinge kombinatsioonist. Kui ekvivalentpinge ( von Mises ) ületab materjali raputuspiiri, tekib ümbris iga kuumutustsükli ajal plastilist pinget (põrkimine), mille tulemuseks on läbimõõdu järkjärguline suurenemine (paisumine) ja lõplik rebenemine. 316 raputuspiir 400 kraadi juures on umbes 1,5–2,0 korda suurem voolavuspiirist, olenevalt pingesuhtest. Kui pinge ei ületa seda piiri, reageerib materjal mõne tsükli järel elastselt (elastic shakedown). Põrkumise määr on 0,01–0,1% pingest tsükli kohta üle selle piiri ja rike ilmneb pärast 1000–10 000 tsüklit. Selles artiklis arvutatakse maksimaalne ekvivalentpinge 316 ümbrise põrkimisvaba töö jaoks ühendatud koormustel.

Põrkmehhanism mitmeteljelise koormuse korral

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 tootlus.

Kvantifitseeritud ekvivalentsed pingepiirangud põrkumise vältimiseks 400 kraadi juures

Allolevas tabelis on toodud roostevaba terase 316 maksimaalne ekvivalentpinge (von Mises) 400 kraadi juures (voolavus umbes 140 MPa) põrkimisvaba töö jaoks erinevate konstruktsiooni kasutusiga, mis on esitatud voolavuspiiri ja absoluutse pinge väärtuste kordajatena.

Ekvivalentne pinge (von Mises) tootluses (400 kraadi) Ekvivalentpinge absoluutne (MPa) põrkumise deformatsioonimäär (% tsükkel-1) Tsüklid kuni 2% läbimõõdu suurenemiseni (tõrkekriteerium) Tsüklid kuni purunemiseni Soovitatav tsüklilise hoolduse jaoks<1.0× (<140 MPa) <140 0 (elastic shakedown) >100,000 >200 000 Jah
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 Mõõduka jalgrattasõidu korral
1,5–1,8 × (210–250 MPa) 210-250 0.005-0.02 2,500–10,000 4,000–20 000 Marginaal, monitor
1,8-2,0× (250-280 MPa) 250-280 0.02-0.05 1,000-2,500 1,500-5000 Ei sobi suurte tsüklite jaoks
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
Kombineeritud koormused: ekvivalentse pinge arvutamine

Õhukese -seinaga toru puhul, mis on siserõhu (rõngaspinge σ_θ) ja aksiaalse piirangu (aksiaalpinge σ_z) all, mille radiaalpinge on tühine, on von Misesi ekvivalentpinge: σ_vM=sqrt(σ_θ2 + σ_σ_σ_z{_θσ). Rõnga pinge siserõhust: σ_θ=P × D_keskmine / 2t. Teljelise soojuspaisumise piirangupinge: σ_z=× E × ΔT × K, kus K on piirangutegur (0 täiesti piiramatu paisumise korral, 1,0 täielikult piiratud otste korral, vahepealne osalise piirangu korral). Küttekeha puhul, mille mõlemad otsad on fikseeritud K=1.0 ja aksiaalne pinge on kuumutamisel surve (negatiivne) ja jahutamisel tõmbepinge (positiivne). Suurim $\\sigma_{vM}$ tekib siis, kui aksiaalne pinge on positiivne (jahutus) ja sama märgiga kui $\\sigma_\\theta$. σ_z=17e-6 x 180 GPa (temperatuuril 400 °C, E ~ 170 GPa) x 380=1100 MPa, kui see on täielikult piiratud – palju suurem saagis. Tüüpilise 10 mm OD, 1,5 mm seinakatte puhul 400C siseseina temperatuuril (Delta T=380C ümbritsevast). Praktikas vähendab piirangute leevendamine painde või ääriku paindlikkuse abil efektiivse K väärtuseni 0,3-0,7.

Praktilise kasutuse ja disainisoovituste näide

Oletame 316 kesta (10 mm OD, 1,5 mm seina) siserõhuga 2 MPa (20 baari) 400 kraadi juures. Rõnga pinge σ_θ=(2x8,5) / (2x1,5)=5.7 MPa (tühine). Teljepiirangu jaoks K=0.5, σz=0.5×1,100=550 MPa (survekuumutamine, tõmbejahutus). Ekvivalentne pinge σ_vM=550 MPa (kuna σ_θ on väike), mis on 3,9-kordne saagis 400 kraadi (140 MPa)-kõrgesti kiire põrkega tsooni. Selline kütteseade läheb 100–200 tsükliga punni ja ebaõnnestub. Et saada σ_vM 1,2-kordseks saagiseks (168 MPa), tuleb K langetada 0,15-ni, seega peab kinnitus olema peaaegu vaba laienemiseks. Üle 300 kraadi töötavate küttekehade puhul peavad konstruktsioonil olema libisevad toed, paisutusaasad või painduvad ühendused, et vähendada piirangutegurit alla 0,2.

Tõendid põrkamise rikke kohta

Põrkimistõrgete kõige silmatorkavam sümptom on ümbrise läbimõõdu ühtlane ja püsiv laienemine (paisumine) tavaliselt kõige kuumemas kohas 50-200 mm pikkuses. Enne rebenemist võib läbimõõt kasvada 2–10%. Rebend on pigem pikisuunas poolitatud (paralleelselt toru teljega), mitte ümbermõõdult, kuna põrkamisest tulenev rõnga pinge on suurem kui aksiaalne deformatsioon. Murdepinnal võib esineda tsüklilise plastilise deformatsiooni märke (rannamärgised). Kasutusel olevate küttekehade puhul võib ümbrise läbimõõdu perioodiline mõõtmine paljudes kohtades nihikuga tuvastada põrkumise enne riket; 1% läbimõõdu suurenemine tähendab, et 25–50% põrkega tööeast on kasutatud.

Järeldus: piirangute haldamine põrkumise ärahoidmiseks

Maksimaalne ekvivalentpinge 316 roostevabast terasest korpusega küttekeha põrk{0}}vabaks tööks 400-kraadise siseseina temperatuuril on tsüklilistes tingimustes umbes 1,2-kordne saagis (168 MPa). Ainuüksi siserõhust tingitud rõnga pinge on harva piisavalt suur, et tekitada põrkeid. Peamine pinge on aksiaalne soojuspaisumise piirang, mis tugevalt kinnitatud ümbrise korral võib olla suurem kui 1000 MPa. Paigaldussüsteem peab olema konstrueeritud nii, et see võimaldaks vaba soojuspaisumist libisevate tihendite, paisumisvuukide või painduvate klambrite abil, nii et piirangutegur K on alla 0,2. Kui täielik piiramine on vältimatu (nt surve all keevitatud süsteemides), tuleb materjal täiustada tugevama sulamiga, nagu Inconel 625, või töötemperatuuri tuleb alandada alla 300 kraadi. Praegune arhitektuur korreleerib samaväärse pinge põrkimiskiiruse ja tsükli elueaga, võimaldades ostjatel määrata 316 kesta, mille läbimõõt ei kasva ega purune tsüklilise termilise{17}}mehaanilise pinge tõttu.