چگونه لولههای فولادی ضد زنگ دوبلکس تولید شده به پروفایلهای ضخامت دیوار بهینه میشوند؟
پیام بگذارید
با توجه به بدترین{0}}نقطه تنش مورد، یک لوله مبدل حرارتی معمولاً با ضخامت دیواره یکسان از انتها به انتها کشیده میشود. این محدودیت با ساخت افزودنی حذف میشود، که امکان چاپ یک لوله فولادی ضد زنگ دوبلکس با دیواره ضخیمتر نزدیک به صفحه لوله، جایی که تنشها متمرکز میشود، و یک تیغ{2}}دیواره نازک در مرکز، جایی که فقط مهار فشار مهم است، چاپ میشود و آخرین ذره عملکرد حرارتی را از بین میبرد. طراحی مبدلهای حرارتی کوچک و{4}}بالا برای سکوهای دریایی، کارخانههای شیمیایی و کاربردهای هوافضا به دلیل قابلیت تنظیم ضخامت دیواره در طول لوله در حال تغییر است.
محدودیت سنتی: ضخامت دیوار ثابت در سرتاسر
لوله های فولادی ضد زنگ دوبلکس سنتی (مانند 2205 و 2507) با نورد، کشش یا اکستروژن ساخته می شوند. این روش ها منجر به ایجاد لوله هایی با دیواره هایی با ضخامت یکسان می شود. محل حداکثر تنش-معمولاً انتهای لوله، جایی که لوله در لوله غلت میخورد یا جوش داده میشود، یا جایی که تنشهای خمشی قویترین هستند-برای تعیین ضخامت دیواره استفاده میشود. بنابراین بخش مرکزی لوله بیش از-برای مهار فشار خالص طراحی شده است. وزن، هزینه و مقاومت حرارتی همه با فلز اضافی افزایش می یابد. یک لوله ضخیم یکنواخت کارایی را کاهش می دهد زیرا انتقال حرارت از طریق دیواره لوله با ضخامت رابطه معکوس دارد (برای یک ماده و شرایط سیال معین).
نمایه های ضخامت دیوار متغیر: راه حل تولید افزودنی
همجوشی بستر لیزری پودری (LPBF) در تولید مواد افزودنی برای ایجاد طرحهای بهینه برای لولههای فولادی ضد زنگ دوبلکس استفاده میشود. لایه به لایه، پودر ریز فولاد ضد زنگ دوبلکس (مانند UNS S31803 یا S32750) به طور انتخابی توسط یک لیزر- با قدرت بالا ذوب می شود. این روش بر اساس یک مدل-رایانه ای سه بعدی-طراحی (CAD) است که قطر داخلی، قطر خارجی و تغییرات محور لوله را مشخص میکند. ضخامت دیوار را می توان به طور مداوم تغییر داد، برخلاف روش های سنتی.
تکنیک های رایج بهینه سازی عبارتند از:
انتهای ضخیم تر: لایه های بیشتری از فلز روی 50 تا 100 میلی متر اول لوله در نزدیکی هر انتها اعمال می شود، جایی که با صفحه لوله تماس پیدا می کند و ضخامت دیواره را افزایش می دهد. تنش های موضعی بالا ناشی از غلتش، انبساط، ارتعاش و ممان خمشی توسط این ناحیه تقویت شده مدیریت می شود.
قسمت میانی نازکتر: حداقل ضخامت مورد نیاز برای مطابقت با کد طراحی فشار (مانند ASME Section VIII, Division 1 یا 2) در قسمت میانی چاپ می شود که صرفاً از فشار داخلی رنج می برد. در مقایسه با یک لوله سنتی کشیده شده با همان ماده و درجه فشار، این وسط گاهی 30 تا 50 درصد نازکتر است.
انتقال تدریجی: برای جلوگیری از تمرکز تنش در یک مرحله سریع، تغییر ضخامت دیواره در یک فاصله کوتاه (مثلا 20 تا 30 میلی متر) کاهش می یابد.
محصول نهایی یک جزء درجه بندی عملکردی است، با فلز به دقت در جایی که یکپارچگی مکانیکی را افزایش می دهد و در جایی که فقط وزن و مقاومت در برابر حرارت را اضافه می کند حذف شده است.
افزایش انتقال حرارت و کاهش جرم
دو مزیت قابل اندازه گیری برای رویکرد دیوار متغیر- وجود دارد:
بهبود ضریب انتقال حرارت کل (U): دیواره لوله نازکتر مقاومت رسانا را تحت شرایط سیال داخلی و خارجی یکسان کاهش می دهد. فولاد ضد زنگ دوبلکس دارای رسانایی حرارتی تقریباً 15-17 W/m·K است. هنگامی که ضخامت دیواره از 2.0 میلیمتر به 1.2 میلیمتر کاهش مییابد، مقاومت حرارتی رسانا تقریباً 40 درصد کاهش مییابد (40 درصد کاهش)، که مقدار کلی U{8}} را با حاشیه قابلتوجهی افزایش میدهد (معمولاً 10 تا 15 درصد، بسته به ضرایب فیلم).
کاهش وزن: مرکز دیواره نازک- یک لوله بلند (مثلاً 6 متر) بیشتر طول آن را تشکیل می دهد. یک لوله معمولی قابل مقایسه با ضخامت همگن ساخته شده برای بارهای انتهایی یکسان ممکن است 25 تا 40 درصد بیشتر از یک لوله ساخته شده با مواد افزودنی وزن داشته باشد. برای سکوهای فراساحلی و کاربردهای هوافضا که هر کیلوگرم وزن دارد، صرفه جویی در وزن تجمعی در یک بسته مبدل حرارتی با صدها لوله قابل توجه است.
مزایای متالورژیکی ساخت افزودنی برای دوبلکس
ریزساختار تولید شده توسط LPBF از فولاد ضد زنگ دوبلکس به طور قابل توجهی با مواد فرفورژه متفاوت است. یک ترکیب بسیار خوب و یکنواخت از آستنیت و فریت، اغلب با اندازه دانه در محدوده میکرومتر یا زیر میکرومتر، با انجماد فوقالعاده سریع (نرخ خنکسازی تا 10 درجه بر ثانیه) تولید میشود. این ساختار نفیس می تواند ارائه دهد:
استحکام تسلیم بیشتر (معمولاً 20 تا 30 درصد بیشتر از معادل های فرفورژه در حالت چاپی-).
مقاومت در برابر ضربه قوی با عملیات حرارتی مناسب.
حداقل تفکیک عناصر آلیاژی، که امکان توسعه فاز بین فلزی را در طول چاپ کاهش می دهد.
با این حال، اکثر اجزای دوبلکس ساخته شده با افزودنی به یک محلول{0}} پس از بازپخت و کوئنچ نیاز دارند تا بهترین تعادل فاز و مقاومت در برابر خوردگی را بدست آورند. چرخه نرمال عملیات حرارتی عبارت است از:
بسته به درجه، تا 1050-1100 درجه حرارت دهید.
برای مدت کوتاهی نگه دارید (مثلاً 30 دقیقه برای هر 25 میلی متر ضخامت مقطع).
برای جلوگیری از رسوب فاز سیگما و سایر مواد بین فلزی، به سرعت با آب یا گاز خاموش کنید.
فولاد ضد زنگ دوبلکس که به صورت افزودنی تولید می شود، پس از عملیات حرارتی مناسب، از مقاومت حفره ای (PREN > 40 برای سوپر دوبلکس) مطابقت دارد یا از آن فراتر می رود.
اثر پایان سطح بر عملکرد
دو اثر متضاد این ناهمواری وجود دارد:
