حداکثر تنش معادل از ترکیب فشار داخلی و محدودیت انبساط حرارتی در دمای دیوار داخلی 400 درجه از شکست ضامن دار غلاف بخاری 316 فولاد ضد زنگ جلوگیری می کند

حد لرزش بارگذاری مکانیکی حرارتی چرخه ای

حالت تنش چند محوری در لوله‌های گرمایش الکتریکی غلاف فولادی ضد زنگ 316، که تحت شرایط چرخه‌ای در دماهای بالا (400 درجه سانتیگراد دمای دیواره داخلی)، مانند گرمایش متناوب فرآیند یا سیستم‌هایی با چرخه‌های خاموش{2} روزانه، به دلیل ترکیب تنش حلقه فشار داخلی و تنش محوری ناشی از انبساط حرارتی است. اگر تنش معادل (فون میزس) از حد لرزش ماده فراتر رود، غلاف در طول هر چرخه گرمایش (جنگ زدن) فشار پلاستیکی ایجاد می‌کند که منجر به افزایش تدریجی قطر (تورم) و پارگی نهایی می‌شود. حد لرزش برای 316 در 400 درجه حدود 1.5 تا 2.0 برابر قدرت تسلیم است، بسته به نسبت تنش. اگر تنش از این حد تجاوز نکند، ماده پس از چند چرخه به حالت ارتجاعی پاسخ می دهد (تکان دادن الاستیک). نرخ جغجغه زنی 0.01-0.1 درصد کرنش/چرخه بالاتر از این حد است و شکست پس از 1000-10000 چرخه رخ می دهد. در این مقاله، حداکثر تنش معادل برای عملیات بدون جغجغه زنی 316 غلاف تحت بارهای جفت شده محاسبه شده است.

مکانیسم جغجغه تحت بارگذاری چند محوری

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 >بازده 2.0 برابری

محدودیت های استرس معادل کمی برای جلوگیری از جغجغه در 400 درجه

جدول زیر حداکثر تنش معادل (فون میزس) را برای فولاد ضد زنگ 316 در 400 درجه (مقاومت تسلیم حدود 140 مگاپاسکال) برای عملیات بدون جغجغه برای عمر طراحی های مختلف نشان می دهد که به عنوان مضرب مقادیر مقاومت تسلیم و تنش مطلق نشان داده شده است.

تنش معادل (فون میزس) بر حسب بازده (400 درجه) تنش معادل مطلق (MPa) نرخ کرنش جغجغه‌ای (درصد چرخه-1) چرخه‌ها تا 2 درصد افزایش قطر (معیار شکست) چرخه‌ها تا پارگی برای سرویس چرخه‌ای توصیه می‌شود<1.0× (<140 MPa) <140 0 (elastic shakedown) >100,000 >200000 بله
1.0-1.2× (140-170 مگاپاسکال) 140-170<0.001 50,000-100,000 80,000-150,000 Yes (low risk)
1.2-1.5× (170-210 مگاپاسکال) 170-210 0.001-0.005 10,000-50,000 15,000-80,000 قابل قبول برای دوچرخه سواری متوسط
1.5-1.8× (210-250 مگاپاسکال) 210-250 0.005-0.02 2,500-10,000 4,000-20,000 حاشیه، مانیتور
1.8-2.0× (250-280 MPa) 250-280 0.02-0.05 1,000-2,500 1,500-5,000 برای چرخه های بالا مناسب نیست
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
بارهای ترکیبی: محاسبه تنش معادل

برای یک لوله نازک{0}دیواره تحت فشار داخلی (تنش حلقه‌ای σ_θ) و یک محدودیت محوری (تنش محوری σ_z) با تنش شعاعی ناچیز، تنش معادل von Mises عبارت است از: σ_vM=sqrt(σ_θ2 + σ_z{8}} σ_θσ_z). تنش حلقه از فشار داخلی: σ_θ=P × D_mean / 2t. تنش محدودیت انبساط حرارتی محوری: σ_z=× E × ΔT × K، که در آن K یک عامل محدودیت است (0 برای انبساط کاملاً نامحدود، 1.0 برای انتهای کاملاً محدود، متوسط ​​​​برای محدودیت جزئی). برای بخاری با دو سر K=1.0 ثابت است و تنش محوری برای گرمایش فشاری (منفی) و برای سرمایش کششی (مثبت) است. بالاترین $\\sigma_{vM}$ زمانی اتفاق می‌افتد که تنش محوری مثبت (خنک کننده) و علامت مشابه $\\sigma_\\theta$ باشد. σ_z=17e-6 × 180 گیگا پاسکال (در دمای 400 درجه سانتیگراد، E ~ 170 گیگا پاسکال) x 380=1100 مگاپاسکال اگر کاملاً محدود باشد - بازدهی بسیار زیاد است. برای یک OD معمولی 10 میلی‌متری، غلاف دیوار 1.5 میلی‌متری در دمای 400 درجه سانتیگراد دیواره داخلی (دلتا T=380 درجه سانتیگراد از محیط). در عمل، کاهش محدودیت با خمش یا انعطاف پذیری فلنج، K موثر را به 0.3-0.7 کاهش می دهد.

نمونه ای از استفاده عملی و توصیه های طراحی

اجازه دهید یک غلاف 316 (10 میلی متر OD، دیوار 1.5 میلی متر) با فشار داخلی 2 مگاپاسکال (20 بار) در 400 درجه فرض کنیم. تنش حلقه ای σ_θ=(2x8.5) / (2x1.5)=5.7 MPa (ناچیز). برای محدودیت محوری، K=0.5، σz=0.5×1،100=550 MPa (گرمایش فشاری، خنک‌کننده کششی). تنش معادل σ_vM=550 مگاپاسکال (زیرا σ_θ بسیار کوچک است) که 3.9× در 400 درجه (140 مگاپاسکال) تسلیم می‌شود- و در ناحیه جغجغه‌دار سریع تسلیم می‌شود. چنین بخاری در 100 تا 200 سیکل برآمده و از کار می افتد. برای رسیدن σ_vM به بازده 1.2 x (168 مگاپاسکال)، K باید به 0.15 کاهش یابد، بنابراین نصب باید تقریباً آزاد باشد تا گسترش یابد. برای هر بخاری که بالاتر از 300 درجه کار می کند، طرح باید دارای تکیه گاه های کشویی، حلقه های گسترش یا اتصالات انعطاف پذیر باشد تا ضریب محدودیت را به کمتر از 0.2 کاهش دهد.

شواهد میدانی از شکست جغجغه

بارزترین علامت خرابی جغجغه، انبساط یکنواخت و دائمی قطر غلاف (تورم) معمولاً در گرمترین قسمت در طول 50-200 میلی متر است. ممکن است قبل از پارگی در قطر 2-10 درصد رشد کند. گسیختگی به‌جای ترک‌خوردگی محیطی، به‌صورت طولی شکافته می‌شود (موازی با محور لوله)، زیرا کرنش حلقه‌ای ناشی از جغجغه‌زنی بیشتر از کرنش محوری است. سطح شکستگی ممکن است نشانه هایی از تغییر شکل پلاستیک چرخه ای (نشانه های ساحل) را نشان دهد. برای بخاری‌های در حال کار، اندازه‌گیری دوره‌ای قطر غلاف در مکان‌های متعدد با کولیس می‌تواند جغجغه‌دار شدن را قبل از خرابی تشخیص دهد. افزایش قطر 1% به این معنی است که 25-50% از عمر جغجغه زنی استفاده شده است.

نتیجه گیری: مدیریت محدودیت ها برای جلوگیری از جغجغه

حداکثر تنش معادل برای کارکرد بدون جغجغه-هیترهای روکش فولادی ضد زنگ 316 در دمای دیواره داخلی 400 درجه حدود 1.2× (168 مگاپاسکال) در شرایط سیکلی است. کشش حلقه به دلیل فشار داخلی به تنهایی به ندرت به اندازه کافی بزرگ است که جغجغه ایجاد کند. تنش اصلی محدودیت انبساط حرارتی محوری است که در مورد غلاف محکم بسته شده می تواند بالاتر از 1000 مگاپاسکال باشد. سیستم نصب باید طوری طراحی شود که امکان انبساط حرارتی آزاد را با استفاده از آب بند های لغزنده، درزهای انبساط یا براکت های انعطاف پذیر فراهم کند تا ضریب محدودیت K کمتر از 0.2 باشد. در مواردی که محدودیت کامل اجتناب ناپذیر است (مثلاً در سیستم های جوشی تحت فشار)، مواد باید به یک آلیاژ با استحکام بالاتر مانند Inconel 625 ارتقا یابند یا دمای کار باید به زیر 300 درجه کاهش یابد. معماری کنونی تنش معادل را با سرعت جغجغه‌زنی و عمر چرخه مرتبط می‌کند، و به خریداران اجازه می‌دهد 316 غلاف را مشخص کنند که قطر آن‌ها رشد نمی‌کنند و از تنش‌های مکانیکی حرارتی{17} چرخه‌ای نمی‌شکنند.