در کدام ترکیب خاص از فرکانس سیکل حرارتی و دلتای دما، یک غلاف فولادی ضد زنگ 2.5 میلیمتری 316، قبل از یک غلاف 1.2 میلیمتری در سرویس گرمایش راکتور ژاکتدار، شکست پلاستیکی را تجربه میکند؟
پیام بگذارید
شرایط خستگی تحمیل شده توسط الزامات چرخه حرارتی پردازش شیمیایی دستهای برای مهندسین فرآیندی است که بخاریهای غوطهوری الکتریکی را برای راکتورهای روکش دار و اتوکلاو طراحی میکنند و به ندرت در خدمات مداوم تجربه میکنند. یک راکتور می تواند از 20 درجه تا 200 درجه چرخش کند و بارها در روز بازگردد، نرخ گرمایش محدود به نیازهای واکنش شیمیایی است. ضخامت دیواره غلاف فولادی ضد زنگ 316 اساساً پاسخ کرنش تنش - را به این چرخه ها تغییر می دهد. اما به روشی شهودی-، یک دیوار ضخیم 2.5 میلیمتری میتواند با جغجغههای پلاستیکی - ایجاد تدریجی کرنش در یک جهت در هر چرخه از کار بیفتد، در حالی که دیوار نازک 1.2 میلیمتری الاستیک باقی میماند و به طور نامحدود زنده میماند. این مقاله ترکیب دقیق فرکانس سیکل حرارتی و دلتای دما را تعیین میکند که در آن یک غلاف 2.5 میلیمتری 316 قبل از غلاف 1.2 میلیمتری در سرویس گرمایش راکتور روکش دار از کار میافتد.
مکانیزم ضامن دار پلاستیکی در غلاف های دیواره ضخیم-
جغجغه پلاستیکی به عنوان تغییر شکل یک جزء تحت فشار حرارتی چرخه ای تعریف می شود که از استحکام تسلیم مواد در یک جهت و نه در جهت دیگر فراتر می رود. هنگامی که به سرعت گرم می شود، سطح خارجی غلاف 316 با دیواره ضخیم-بیشتر از سطح داخلی منبسط می شود به طوری که سطح بیرونی تحت فشار و سطح داخلی در کشش قرار می گیرد. اگر این تنش بیشتر از تسلیم باشد، ماده به صورت پلاستیک تغییر شکل می دهد. با سرد شدن سطح بیرونی با سرعت بیشتری منقبض می شود. جهت تنش معکوس می شود. اگر تنش خنک کننده بیشتر از تسلیم نباشد، ماده به طور کامل به حالت قبلی خود باز نمی گردد. هر چرخه گرمایش مقدار کمی از کرنش کششی را در سطح داخلی انباشته می کند. این سویه جغجغهدار میتواند پس از هزاران چرخه به 5-10% نزدیک شود که باعث ضعیف شدن و در نهایت شکستگی میشود. برای ضخامت دیوار 1.2 میلی متر، گرادیان دما از طریق دیوار بسیار کمتر است، بنابراین تنش حرارتی هم در گرمایش و هم در سرمایش کمتر از تسلیم باقی می ماند، از این رو هیچ جغجغه ای وجود ندارد. معیار کلیدی عدد Biot است - نسبت مقاومت رسانای داخلی به مقاومت همرفتی خارجی. عدد بیوت بیش از آستانه جغجغه برای دیواره های ضخیم در محیط های همرفت کم مانند سیالات راکتور ویسکوز است.
محدودیت های کمی آسیب جغجغه
این محدودیت ها از مطالعه المان محدود 316 غلاف در سرویس راکتور ژاکت دار با انتقال حرارت همرفت طبیعی (ضریب 200 W/m2·K) به دست آمده است. جغجغه زمانی اتفاق می افتد که دلتای دما در هر سیکل بیشتر از 120 درجه باشد و نرخ گرمایش بیشتر از 5 درجه در دقیقه برای دیوار 2.5 میلی متری باشد. در دلتای 150 درجه و نرخ گرمایش 10 درجه در دقیقه، کرنش جغجغه در هر سیکل حدود 0.02٪ است. پس از 10000 چرخه، کرنش کل تجمعی بیش از 2٪ است و ضعیف شدن قابل توجه دیواره مشاهده می شود. پس از 25000 چرخه، کرنش 5٪ با ترک آشکار است. برای یک دیوار 1.2 میلی متری، حداکثر تنش حرارتی در شرایط یکسان فقط 120 مگاپاسکال است، بسیار کمتر از مقاومت تسلیم 200 مگاپاسکال 316 در 150 درجه، بنابراین بدون جغجغه. دیوار 1.2 میلی متری در دمای دلتا بالای 180 درجه شروع به جغجغه زدن می کند، اما دیواره 2.5 میلی متری در دلتای 130 درجه از کار می افتد. بنابراین دلتای لازم برای جغجغه زنی وارونه 120-140 درجه است. در زیر محدوده هیچ یک از دیوارها جغجغه ندارند. جغجغه ها برای دیوار 2.5 میلی متری بالاتر از این محدوده و دیوار 1.2 میلی متری تا یک دلتای بسیار بزرگتر الاستیک هستند.
آستانه های جغجغه ای بحرانی برای ضخامت دیواره غلاف 316
جدول زیر ترکیبی از دمای بحرانی، دلتا و نرخ گرمایش را نشان میدهد که در آن جغجغه پلاستیکی برای ضخامتهای مختلف دیواره غلاف 316 در سرویس راکتور ژاکتدار آغاز میشود. مقادیر برای همرفت طبیعی در یک سیال چسبناک (200 W/m2 K) و حداکثر دمای عملیاتی 200 درجه است.
ضخامت دیواره غلاف حداقل تفاوت دما برای شروع جغجغه حداقل نرخ گرمایش برای جغجغه در 150 درجه کرنش DeltaRatchet در هر سیکل در 150 درجه دلتا، 10 درجه / دقیقه چرخه تا 2 درصد کرنش تجمع چرخه تا شکست (5٪ کرنش)
0.8 - 1.0 میلیمتر بالای 180 درجه بالای 20 درجه / دقیقه هیچکدام زیر 180 درجه غیر قابل اجرا نیست
1.2 - 1.4 میلیمتر بالای 170 درجه بالای 15 درجه / دقیقه هیچکدام زیر 170 درجه هیچکدام 1.6 - 1.8 میلیمتر 150 - 160 درجه 12 - 15 درجه / دقیقه 0.005 - 0.010٪ 20,000 - 20,000 - 1000 - 1-6-40,{0} 2.2 میلی متر 130 - 140 درجه 8 - 10 درجه / دقیقه 0.015 - 0.025% 8000 - 13، 000 20}،000 - 30، 000 2.5 - 2.8 میلیمتر 120 - 130 درجه 5 - 8 درجه در دقیقه 5 - 8 - 30 - 0% 0. 10,{44}},000 - 25,000
برای یک راکتور دسته ای که از 20 درجه سانتیگراد به 200 درجه سانتیگراد (دلتای 180 درجه سانتیگراد) دو بار در روز می رسد. تعداد چرخه ها در سال حدود 730 سیکل است. در این دلتا، یک غلاف 2.5 میلی متری در هر چرخه 0.025-0.035٪ کرنش ایجاد می کند که بعد از 5000-8000 چرخه یا 7-11 سال به کرنش 2٪ افزایش می یابد. غلاف 1.2 میلیمتری جغجغه نمیخورد و فقط با وسایل دیگری مانند خوردگی یا خستگی ناشی از لرزش میشکند. برای راکتورهایی با سرعت گرمایش سریعتر، به عنوان مثال، گردش روغن داغ یا بخار، شروع جغجغه در دلتاهای کوچکتر اتفاق می افتد. اگر یک راکتور را از 50 درجه تا 200 درجه با دمای 20 درجه در دقیقه گرم کنید، دلتای 150 درجه را دریافت خواهید کرد، اما گرادیان حرارتی بسیار بالایی دارد. تحت این تنظیمات، یک غلاف 2.5 میلی متری می تواند پس از 2000 چرخه (3 سال در 2 سیکل در روز) از کار بیفتد، در حالی که غلاف 1.2 میلی متر ایمن است.
تغییرات طراحی برای جلوگیری از جغجغه
سه تنظیم طراحی می تواند از جغجغه پلاستیکی در غلاف 316 دیواره ضخیم- که برای مهار فشار یا مجاز خوردگی در سرویس راکتور چرخه ای لازم است جلوگیری کند. اولین مورد محدود کردن نرخ گرمایش است. کاهش نرخ سطح شیب دار از 10 درجه سانتی گراد در دقیقه به 3 درجه سانتی گراد در دقیقه، گرادیان حرارتی گذرا را تا 60 درصد کاهش می دهد و تنش را حتی با دیواره 2.5 میلی متری زیر تسلیم نگه می دارد. تغییر دوم این است که به جای خنک کردن راکتور تا دمای محیط، آن را تا حداقل دمای آماده به کار 80 درجه گرم می کنند. جغجغه با کاهش دلتا از 180 درجه به 100 درجه بدون توجه به ضخامت دیواره کاملاً حذف می شود. تغییر سوم، انتخاب ماده ای با انبساط حرارتی کاهش یافته و قدرت تسلیم بالاتر در دما است. برای مثال، ضریب انبساط حرارتی 316 17 × 10 -6 / درجه در مقابل 14 × 10 -6 / درجه برای Incoloy 800H است. Incoloy 800H همچنین در 200 درجه استحکام بهتری را حفظ می کند. این ترکیب تنش حرارتی را حدود 25 درصد برای ضخامت دلتا و دیواره یکسان کاهش می دهد. برای اکثر کاربردهای راکتور دسته ای، ضخامت دیواره 1.2-1.6 میلی متر استحکام مکانیکی کافی بدون جغجغه می دهد. مهندسانی که کورکورانه درخواست دیوارهای ضخیم برای "دوام" در سرویس چرخه ای می کنند، ممکن است ناخواسته سیستمی را انتخاب کنند که با جغجغه زدن زودرس از کار می افتد. روش صحیح این است که دلتای سیکل پیشبینیشده و نرخ گرمایش را مشخص کنید و سپس نازکترین دیواری را انتخاب کنید که نیازهای فشار و خوردگی را برآورده کند. اگر شک دارید، از سازنده بخاری بخواهید یک مطالعه جغجغه ای با استفاده از مدل سازی المان محدود شرایط چرخه دقیق انجام دهد. تأمینکنندهای که این مطالعه را ارائه نمیکند ممکن است مکانیسمهای شکست خاص غلافهای دیواره ضخیم در استفاده حرارتی چرخهای را درک نکند.
