حداکثر فشار مجاز حلقه در دمای غلاف داخلی 500 درجه، عمر پارگی خزشی 100000 ساعته لوله بخاری فولادی ضد زنگ 316 را کنترل می کند

طراحی پایه تنش برای عمر سرویس در دمای بالا

برای 316 لوله گرمایش الکتریکی غلاف فولادی ضد زنگ که در کاربردهای گرمایش هوا یا گاز با دمای بالا با دمای فلز داخلی 500 درجه استفاده می شود و در دیواره داخلی غلاف غوطه ور در سیالات با دمای پایین تر، حداکثر تنش حلقه مجاز برای عمر گسیختگی خزشی 100000 ساعت یک پارامتر طراحی مهم است. برای طراحی دمای اتاق، استحکام تسلیم مبنای تنش مجاز است، در حالی که برای طراحی دمای بالا برای عملیات محدود خزش، سطوح تنش به گونه‌ای است که جزء در اثر حفره خزشی و ترک‌خوردگی مرز دانه در طول عمر طراحی خود پاره نمی‌شود. برای فولاد ضد زنگ 316 در دمای 500 درجه، متوسط ​​تنش ایجاد پارگی در 100000 ساعت (حدود 11.4 سال کار مداوم) حدود 120-140 مگاپاسکال است، بسته به شیمی حرارتی خاص و اندازه دانه. حداکثر تنش حلقه مجاز 80-95 مگاپاسکال با ضریب ایمنی معمول 1.5 برای طراحی در برابر گسیختگی خزش است (روش ASME Section VIII Division 2). این مقاله داده های کمی از تنش گسیختگی خزشی را برای 316 غلاف بخاری در محدوده دمایی 450 درجه تا 650 درجه و روشی برای محاسبه فشار عملکرد ایمن و ضخامت دیواره برای سرویس دمای بالا ارائه می دهد.

مکانیسم پارگی خزش و معیار لارسون{0}}میلر

برای فولاد ضد زنگ 316 گسیختگی خزشی توسط حفره مرزی دانه و انتشار ترک رخ می دهد. زمان گسیختگی با دما بر اساس رابطه آرنیوس و با تنش بر اساس قانون توان معکوس متفاوت است. پارامتر لارسون-میلر (LMP=T × (C + log t_r)، که در آن T دمای مطلق بر حسب کلوین، t_r زمان گسیختگی بر حسب ساعت و C ثابت ماده معمولاً 15-20 برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی است) راهی برای برونیابی داده‌های آزمایش خزش کوتاه‌مدت است. آزمایشات گسترده ای بر روی 316 برای تعیین قدرت گسیختگی خزش 100000 ساعته در 500 درجه بین 110 مگاپاسکال (کران پایین، 95 درصد اطمینان) و 150 مگاپاسکال (کران بالایی) با میانگین طبیعی 130 مگاپاسکال انجام شده است. قدرت گسیختگی در 100000 ساعت 60-90 مگاپاسکال در 550 درجه است. و در 600 درجه به 30-50 مگاپاسکال کاهش می یابد. در 650 درجه قدرت پارگی 100000 ساعت فقط 15-25 مگاپاسکال است. این مقدار کمتر از تنش حلقه ناشی از فشار داخلی در اکثر طرح‌های بخاری است و به این معنی است که 316 نمی‌تواند به 100000 ساعت عمر در 650 درجه برسد، مهم نیست که دیوار چقدر ضخیم باشد، زیرا پارگی خزش اجتناب‌ناپذیر خواهد بود. نتیجه عملی این است که 316 بخاری غلاف ساخته شده برای سرویس مداوم 100000 ساعت (11.4 سال) باید به گونه ای ساخته شوند که حداکثر دمای غلاف کارکرد بسته به فشار داخلی بیشتر از 530-550 درجه نباشد.

استرس حلقه مجاز، برای 100000 ساعت عمر تعیین شده است.

جدول 4.3 حداکثر تنش حلقه مجاز را برای لوله بخاری فولادی ضد زنگ 316 با عمر گسیختگی خزشی 100000 ساعت در دماهای بین 450 درجه و 650 درجه نشان می دهد. سه مقدار تنش ارائه شده است، یعنی تنش متوسط به گسیختگی (50٪ بقا)، تنش کران پایین (95٪ بقا، بر اساس طراحی API/ASME) و تنش مجاز طرح پیشنهادی (کران پایین تقسیم بر ضریب ایمنی 1.25-1.5 بسته به کد. برای طراحی فشار داخلی قابل قبول باید حداکثر فشار قابل قبول را با استفاده از کد محاسبه کرد. فرمول تنش حلقه دیواره نازک: P max=2 t σ اجازه می دهد / D mean، جایی که t ضخامت دیوار است، D میانگین قطر متوسط است.

دما ( درجه ) متوسط تنش پارگی (MPa) 100000 ساعت کران پایین (95% بقا) تنش پارگی (MPa) تنش مجاز طراحی توصیه شده (MPa) (SF=1.4 در کران پایین) حداکثر تنش حلقه برای 100000-ساعت بدون محدودیت طول عمر (MPa) سرویس 475 170-200 145-175 100-125 110 ایمن برای اکثر بخاری ها
500 120-150 100-130 70-95 85 مبنای طراحی استاندارد 525 85-110 70-95 50-70 60 طراحی مستهلک مورد نیاز 550 60-80 45-65 30-45 40 کوتاه-عمر کوتاه یا کم-تنش فقط 575 40-55 30-45 20-30 25 حاشیه برای سرویس مداوم 600 25-40 18-30 12-20 15 برای 100000 ساعت توصیه نمی‌شود 625 15-25 10-18 7-12 10 غیرقابل قبول برای عمر طولانی
650 10-15 5-10 3-7 5 316 مناسب نیست. ارتقاء آلیاژ
تبدیل فشار داخلی و ضخامت دیواره به تنش مجاز

تنش حلقه مجاز طرح پیشنهادی برای غلاف بخاری معمولی 316 با قطر خارجی 10 میلی‌متر و ضخامت دیواره 1.5 میلی‌متر (متوسط ​​قطر 8.5 میلی‌متر) 85 مگاپاسکال در 500 درجه است که حداکثر فشار داخلی P_max=(2 1.5 85) ​​/ {{9} مگاپاسکال را نشان می‌دهد. این بسیار بالاتر از هر فشار ممکن در سرویس هیتر غوطه وری است، و نشان می دهد که گسیختگی خزشی در 500 درجه عامل محدود کننده چنین بخاری نیست - مشکلات دیگری مانند اکسیداسیون یا خستگی حرارتی غالب خواهند بود. در غلاف های با قطر بزرگ یا دمای بالا خزش محدود می شود. برای غلاف OD 20 میلی‌متری با دیواره 2.0 میلی‌متری (متوسط ​​قطر 18 میلی‌متر) در 550 درجه (تنش مجاز 40 مگاپاسکال) حداکثر فشار داخلی فقط Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 مگاپاسکال (۸۹ بار) است. این ممکن است برای یک بخاری در دمای 550 درجه در یک سیستم تحت فشار (مانند آب یا بخار فوق گرم در فشار 80-100) بسیار کم باشد. طراح باید ضخامت دیوار را افزایش دهد، دما را با کاهش چگالی توان کاهش دهد یا مواد را به روز کند.

عوامل موثر بر قدرت پارگی خزش

قدرت گسیختگی خزشی در جدول برای اندازه دانه 316 ASTM 6 -8 (30-50 متر) کاملاً بازپخت شده است. سه چیز این ارزش ها را تغییر می دهد. اولین مورد اندازه دانه است. مواد درشت دانه (ASTM 3-5، 50-80 میکرومتر) 10 تا 20 درصد استحکام گسیختگی خزشی قوی‌تری نسبت به مواد ریزدانه در دما نشان می‌دهند، زیرا مرزهای دانه مکان‌های حفره‌ای خزش غالب هستند و اندازه دانه‌های درشت‌تر به معنای مرزهای کمتر در واحد حجم کم‌تر از ماده و عمق کم‌تر است. رفتن به حداقل اندازه دانه ASTM 5 می تواند یک حاشیه اضافی ایجاد کند. جزء دوم کار سرد قبلی است: 10-20% کار سرد استحکام اولیه را افزایش می دهد اما باعث آزاد شدن سریع تنش و تبلور مجدد در حدود 500-600 درجه می شود که منجر به استحکام خزش طولانی مدت ضعیف تری نسبت به مواد کاملاً آنیل شده می شود. کاملا آنیل شده برای سرویس محدود خزشی بهتر است. نکته سوم توزیع کاربیدها است. مواد با کاربیدهای درون دانه ای ریز (از بازپخت صحیح محلول) باعث تقویت بارش می شود که مقاومت در برابر خزش را افزایش می دهد. کاربیدهای درشت مرز دانه (حساس شدن) قدرت خزش را کاهش می دهند زیرا کاربیدها به عنوان مکان هسته برای حفره ها عمل می کنند. کاربیدهای درون دانه ای ریز درون یک ریزساختار آنیل شده با محلول برای کاربردهای محدود خزش ضروری هستند.

تعیین عملی دمای غلاف برای محاسبات عمر خزش

دمای غلاف داخلی (دمای فلزی در دیواره داخلی که خزش فشار{0}شامل مقطع- را تنظیم می‌کند) گرمکن در سرویس بالاتر از دمای غلاف بیرونی اندازه‌گیری شده در سیال فرآیند است. اختلاف دما در سراسر دیوار ΔT=(q × t) / k است که در آن q جریان گرما (W/m2)، t ضخامت دیواره و k هدایت حرارتی 316 (حدود 20 W/m·K در 500 درجه) است. برای یک آبگرمکن معمولی با دمای روکش بیرونی 90 درجه و ضخامت دیواره 1.5 میلی متر، دمای ژاکت داخلی فقط 1{17}}2 درجه بالاتر است که ناچیز است. اگر دمای غلاف بیرونی 600 درجه باشد، دمای غلاف داخلی ممکن است 620-630 درجه باشد زیرا دما در سراسر دیوار کاهش می یابد، که عمر خزش را تا حد زیادی کاهش می دهد. هنگام استفاده از داده های گسیختگی خزش به جای دمای بیرونی ثبت شده، باید از شار حرارتی برای تعیین دمای دیواره داخلی محاسبه شده استفاده شود. خزش در اکثر کاربردهای گرمایش غوطه ور در مایعات، حالت شکست محدود کننده عمر نیست. برای گرمایش هوا و گاز بالای 500 درجه دمای بیرون، خزش باید به طور خاص در نظر گرفته شود.

خلاصه: کاربرد داده های پارگی خزش در طراحی 316 گرمکن

برای بخاری های 316 فولادی ضد زنگ با دمای داخلی 500 درجه، حداکثر تنش حلقه مجاز برای 100000 ساعت (11.4 سال) عمر گسیختگی خزش 85 مگاپاسکال است (طراحی توصیه شده مجاز است). این مقدار تنش به غلاف‌های معمولی با قطر کوچک (10 میلی‌متر OD، دیواره 1.5 میلی‌متری) اجازه می‌دهد تا با فشارهای داخلی تا 300 بار - بسیار فراتر از شرایط خدمات عادی - مقابله کنند. در 550 درجه تنش مجاز به 40 مگاپاسکال و در 600 درجه به 15 مگاپاسکال کاهش می یابد، که باعث می شود عمر پارگی خزشی برای بسیاری از طراحی های بخاری محدود شود. مهندسانی که برای سرویس در دمای بالا به غلاف 316 نیاز دارند، باید دمای دیواره داخلی را از روی شار حرارتی و ضخامت دیواره محاسبه کنند، سپس ضخامت دیواره و فشار کاری را طوری انتخاب کنند که تنش حلقه حاصل از مقادیر مجاز جدول برای طول عمر مورد نظر تجاوز نکند. معماری شرح داده شده در اینجا تنش گسیختگی خزشی را با پارامترهای دما، زمان و ایمنی مرتبط می‌کند، به طوری که مشتریان می‌توانند 316 بخاری محفظه‌ای بسازند که به طور مداوم به مدت 100000 ساعت بدون شکست خزشی کار می‌کنند.