چگونه ضخامت دیواره غلاف فولادی زنگ نزن 316 بر انبساط حرارتی-تنش القایی در رابط MgO در طول چرخه های حرارتی مکرر از 20 تا 400 درجه سانتیگراد تأثیر می گذارد؟

محل اتصال بین غلاف فولاد ضد زنگ 316 و عایق اکسید منیزیم برای مهندسان طراح که دوام بلندمدت بخاری‌های غوطه‌وری الکتریکی را که در استفاده چرخه‌ای با دمای بالا{2} کار می‌کنند، ارزیابی می‌کنند، یک نقطه شکست قابل توجه اما اغلب نادیده گرفته شده است. غلاف 316 با هر چرخه گرمایش بیشتر از MgO منبسط می شود زیرا ضریب انبساط حرارتی 316 (حدود 17 x 10 -6 / درجه) تقریباً 2 برابر MgO متراکم است (حدود 9 x 10 -6 / درجه). این انبساط دیفرانسیل منجر به کرنش های برشی در غلاف{12}}رابط MgO می شود. در طی هزاران چرخه، این فشارها می تواند باعث جدا شدن، تشکیل شکاف و در نهایت گرم شدن بیش از حد سیم مقاومت شود. این تنش های سطحی مستقیماً به ضخامت دیواره غلاف بستگی دارد، زیرا دیواره ضخیم تر انبساط را به روشی متفاوت در مقایسه با دیوار نازک محدود می کند. در این مطالعه، همبستگی بین ضخامت دیواره غلاف 316 و انبساط حرارتی ناشی از تنش سطحی برای ارائه پیشنهادهای انتخاب برای کاربردهای سیکل بالا کمی سازی شده است.

غلاف{0}}رابط MgO: مکانیک انبساط حرارتی دیفرانسیل
هنگامی که بخاری ساخته می شود، عایق MgO بر روی سطح داخلی غلاف 316 توسط فشار شدید تاب خوردن فشرده می شود. نتیجه یک تداخل محکم با تنش فشاری باقیمانده در سطح مشترک است. هر دو ماده با گرمای بخاری منبسط می شوند. غلاف 316 سعی می کند به سمت بیرون در جهت شعاعی و محیطی منبسط شود. MgO ضریب انبساط کمتری دارد و در برابر این انبساط مقاومت می کند. این منجر به کاهش تنش فشاری سطحی یا در دماهای به اندازه کافی بالا، تغییر به تنش کششی و ایجاد شکاف می شود. دمای بحرانی برای جداسازی سطحی به کشش باقیمانده اولیه ناشی از تاب خوردن و سفتی دیواره غلاف بستگی دارد. سفتی شعاعی با ضخامت دیواره غلاف افزایش می‌یابد، به این معنی که در برابر انبساط با قدرت بیشتری مقاومت می‌کند و تماس سطحی را تا دماهای بیشتر حفظ می‌کند. از سوی دیگر، غلاف با دیواره نازک{10}منطبق‌تر است و ممکن است اجازه ایجاد شکاف در دماهای پایین‌تر را بدهد. با این حال، وقتی شکاف ایجاد می‌شود، لاینر با دیواره نازک{12}تنش‌های خمشی موضعی بزرگ‌تری را به دلیل انحراف دیوار بدون تکیه‌گاه تحت فشار داخلی یا گرادیان‌های حرارتی تجربه می‌کند.

همبستگی کمی حفظ تنش سطحی و ضخامت دیواره
مطالعه اجزای محدود غلاف 316 با قطر بیرونی 10 میلی‌متر پر شده با MgO فشرده شده به 3.0 گرم بر سانتی‌متر مکعب، تخمین‌های کمی از تنش سطحی را به عنوان تابعی از ضخامت دیواره و دما به دست می‌دهد. تنش فشاری سطحی پس از تغییر دمای اتاق حدود 30 مگاپاسکال برای ضخامت دیوار 1.0 میلی‌متر، 45 مگاپاسکال برای دیوار 1.5 میلی‌متری و 60 مگاپاسکال برای دیوار 2.0 میلی‌متر است. غلاف ضخیم تر، فشرده سازی باقی مانده بیشتری را نگه می دارد، زیرا فرآیند تاب دادن، قبل از اینکه غلاف به صورت پلاستیکی تسلیم شود، تنش های بیشتری به MgO اعمال می کند. تنش سطحی به طور خطی با افزایش دما به دلیل انبساط دیفرانسیل کاهش می یابد. دمای جداسازی، زمانی که تنش سطحی صفر است، حدود 280 درجه برای دیوار 1.0 میلی متر، 340 درجه برای دیوار 1.5 میلی متر و 380 درجه برای دیوار 2.0 میلی متر است. پس از جداسازی، غلاف 1.0 میلی متری تنش کششی سطحی ~ 5 مگاپاسکال را نشان می دهد، در حالی که غلاف 2.0 میلی متری در تمام چرخه برای گرمکن حداکثر دمای 400 درجه تحت فشار باقی می ماند. پیوند بین غلاف و MgO با کشش شدن سطح مشترک از بین می رود. این منجر به شکاف‌های کوچکی می‌شود که به مقاومت حرارتی سیم مقاومت به غلاف کمک می‌کند. MgO در ناحیه شکاف دیگر رسانای حرارتی خوبی نیست و یک نقطه داغ محلی می تواند ایجاد شود که ممکن است اکسیداسیون سیم را تسریع کند.

خستگی چرخه ای رابط و تخریب بخاری
در سرویس چرخه‌ای، تغییر مکرر کشش سطحی از فشاری به کششی یا از فشرده‌سازی به جداشده باعث آسیب تجمعی در غلاف-تماس MgO می‌شود. برای غلاف دیوار 1.0 میلی‌متری که بین 20 درجه تا 400 درجه کار می‌کند، رابط حدود 300 درجه تغییر دما را مشاهده می‌کند. هر چرخه از فشرده سازی بالا در دمای محیط به تنش صفر در 280 درجه تا کشش در 400 درجه می رسد. این برگشت تنش چرخه‌ای می‌تواند باعث افزایش سایش در سطح مشترک شود و پودر MgO را ایجاد کند که تماس حرارتی را بیشتر محدود می‌کند. پس از 1000 چرخه، مقاومت حرارتی در رابط می تواند 20-40٪ افزایش یابد، که نیاز به دمای سیم بیشتر برای ثابت نگه داشتن خروجی گرما دارد. برای یک غلاف دیوار 2.0 میلی متری، در محدوده دمایی یکسان، رابط در تمام دماها فشرده است. تنش از فشرده سازی 60 مگاپاسکال در دمای محیط تا فشرده سازی 10 مگاپاسکال در 400 درجه متغیر است - فشار تماس همیشه مثبت. بدون ایجاد خراش یا شکاف آزمایش تجربی 316 بخاری روکش دار تحت 5000 چرخه از 20 درجه تا 400 درجه نشان می دهد که غلاف های دیواری 1.0 میلی متری 35 درصد افزایش مقاومت حرارتی و 15 درصد کاهش در مقاومت عایق دارند. آزمایش مشابه روی غلاف های دیوار 2.0 میلی متری کمتر از 5 درصد تغییر در هر یک از پارامترها را نشان داد.

توصیه های ضخامت دیوار برای کاربردهای سیکل بالا و دمای بالا
جدول زیر 316 ضخامت دیواره غلاف توصیه شده را برای حداکثر دمای کاری معین و تعداد سیکل های حرارتی پیش بینی شده ارائه می دهد. روش swage معمولی را در نظر می گیرد و بدون آنیل کردن پس از{2}}swage. مقادیر یک عمر خدمات هدف را بدون افت عملکرد حرارتی قابل توجهی در نظر می گیرند.

حداکثر دمای غلاف سیکل های حرارتی مورد انتظار در طول عمر سرویس حداقل 316 ضخامت دیواره شرایط سطحی در حداکثر دمای مورد انتظار مقاومت حرارتی بالا رفتن پس از دوچرخه سواری بالا
تا 250 درجه C0.8 - 1.0 mm هر تعداد فشار باقی می ماند < 5٪ 250 - 300 درجه< 1,000 1.0 – 1.2 mm Close to zero or mildly tensile 5 – 10% 250 – 300°C 1,000 – 5,000 1.2 – 1.5 mm Compressive with margin< 5% < 300°C < 350°C < 500 1.2 – 1.4 mm Slightly tensile on peak 10 – 15%
300 - 350 درجه 500 - 2، 000 1.5 - 1.8 میلی‌متر فشار باقی می‌ماند < 5% 350 - 400 درجه < 500 1.6 - 2.0 میلی‌متر کمی کشش در اوج 10 - 20 درصد
350 - 400 درجه 500 - 2، 000 2.0 - 2.5 میلی‌متر در حالت فشاری باقی می‌ماند<5%
>400 درجه هر عددی توصیه نمی شود با تشکیل شکاف MgO به احتمال زیاد غیر قابل پیش بینی است
برای کاربردهایی که هم به دمای حداکثر بالا و هم به تعداد چرخه‌های زیاد مانند تجهیزات استریلیزاسیون یا کوره‌های چرخه حرارتی نیاز دارند، به شدت پیشنهاد می‌شود که یک غلاف 2.0 میلی‌متری و ضخیم‌تر 316 انتخاب کنید. ما فقط باید جریمه حرارتی ذاتی دیوار ضخیم را بپذیریم همانطور که در مقالات قبلی به عنوان قیمت یکپارچگی سطحی طولانی مدت ذکر شد. روش دیگر، مهندسان ممکن است یک فرآیند بازپخت پس{4}} را مشخص کنند که تنش‌های پسماند را کاهش می‌دهد، اما فشرده‌سازی سطح اولیه را نیز کاهش می‌دهد. حفظ تنش سطحی برای یک غلاف آنیل شده 1.6 میلی متری و یک غلاف بازپخت نشده 1.2 میلی متری یکسان است. این بستگی به این دارد که برنامه بیشتر روی بازده حرارتی متمرکز باشد یا دوام چرخه.

رویکردهای طراحی برای کاهش تنش سطحی در غلاف‌های دیواره نازک-
برای کاربردهایی که به دلایل پاسخگویی حرارتی به غلاف دیواره نازک زیر 1.2 میلی متر نیاز دارند، اما شامل چرخه حرارتی تا دماهای بالا می شود، سه راه حل طراحی وجود دارد که می توان برای کاهش جداشدگی سطحی دنبال کرد. اولین مورد اضافه کردن یک پوشش کوچک از گریس یا خمیر با رسانایی حرارتی قوی در غلاف{2}}رابط MgO در طول مونتاژ است. به عنوان مثال، گریس‌های سیلیکونی پر شده با نیترید بور، انطباق را در طول چرخه دما حفظ می‌کنند و هر شکافی را که ممکن است ایجاد شود پر می‌کنند و تماس حرارتی را حفظ می‌کنند. روش دوم این است که بخاری را در حداقل دمای آماده به کار به جای خنک شدن در محیط بین چرخه ها اجرا کنید. برای چرخه بخاری از 150 درجه سانتیگراد به 400 درجه سانتیگراد به جای 20 درجه سانتیگراد تا 400 درجه سانتیگراد، تغییرات تنش سطحی حدود 50٪ کاهش می یابد. رویکرد سوم، تعریف غلاف با قطر خارجی کوچکتر با ضخامت دیواره یکسان است. سفتی شعاعی متناسب با توان چهارم قطر است. بنابراین، یک غلاف OD 6 میلی متری با دیواره 1.0 میلی متری دارای سختی شعاعی بیشتری نسبت به غلاف OD 10 میلی متری با دیواره 1.0 میلی متری است. طراح می تواند قطر را کاهش دهد تا از مزایای یک دیوار نازک برای پاسخگویی حرارتی بهره مند شود و همچنان با دماهای بالاتر تماس سطحی داشته باشد. هنگامی که دیوارهای نازک برای استفاده چرخه‌ای در دمای{20} بالا مشخص می‌شوند، مهندسان باید از سازندگان بخاری برای محاسبه تنش سطحی بپرسند. تجزیه و تحلیل تابعی از نسبت کاهش سوآج، چگالی تراکم MgO و مشخصات دمای پیش‌بینی‌شده است. اگر نمی توانید این تجزیه و تحلیل را از یک سازنده دریافت کنید، تردید وجود دارد که او بخاری قابل اعتمادی برای کاربردهای چرخه ای تولید کند.