Kokiomis ciklinės apkrovos sąlygomis 316 nerūdijančio plieno apvalkalas termostate{1}}valdomas panardinamasis šildytuvas lenkimo spindulyje sukelia terminį nuovargio įtrūkimą

Lenkimo spindulys: mechaninis pasikartojančio šiluminio plėtimosi įtempio židinys

Ankstyvas mechaninis U- arba L- formos elementų gedimas 316 nerūdijančio plieno gaubtų panardinamuose šildytuvuose, kurie dažnai įjungiami -išjungiami ir kontroliuojami termostatu, dažniausiai stebimi netoli posūkio spindulio. Tačiau lenkimo spindulys yra veikiamas sudėtingų daugiaašių įtempių dėl lanko įtempių, atsirandančių dėl vidinio slėgio, ašinio įtempio, atsirandančio dėl šildomų tiesių kojų šiluminio plėtimosi, ir dėl lenkimo įtempių dėl pačios lenktos dalies geometrinio apribojimo, skirtingai nei tiesios apvalkalo dalys, kurios šildymo ir aušinimo ciklo metu laisvai plečiasi ir susitraukia. Nerūdijančio plieno 316 nerūdijančio plieno šliaužimo relaksacija pašalina šiuos įtempius, kai veikia pastoviai ir netrūksta. Ciklinio veikimo metu (daugiau nei 5{10}}10 pilnų šildymo ciklų per dieną) dažnas tamprus įtempimas sukelia nuovargio pažeidimų. Šiame straipsnyje kiekybiškai įvertinamas ciklų skaičiaus, temperatūrų skirtumo, lenkimo geometrijos ir lūžio pradžios trukmės ryšys ir pateikiama didelio ciklo taikomųjų programų specifikacijų sistema.

Šiluminės plėtimosi neatitikimo lenkimo srityje mechanizmas

Kadangi U-formos 316 apvalkalas šildomas nuo aplinkos (20 laipsnių) iki darbinio paviršiaus temperatūros (paprastai 80{11}}150 laipsnių vandeniniam šildymui arba 300-500 laipsnių orui/dujiniam šildymui), kiekviena tiesi kojelė išilgai išsiplės pagal 3 plieninio išplėtimo koeficientą6. 17 10-6 / laipsnis . Ant 500 mm tiesios kojos ilgio šildytuvo, kurio paviršiaus temperatūra yra 120 laipsnių (ΔT=100 laipsnis nuo aplinkos įjungus), kiekviena kojelė išsiplečia 0,85 mm. Kad šis išsiplėtimas, lenkimo spindulys, paprastai 20–40 mm (1,5–3 kartus didesnis už išorinį vamzdžio skersmenį), turi ištempti. Tačiau lenkimo sritis taip pat yra storiausia šildytuvo dalis po lenkimo (išorinis spindulys tampa šiek tiek plonesnis, o vidinis – storesnis) ir sukuria sudėtingą įtempių pasiskirstymą. Tiesiųjų kojų terminis plėtimasis sukelia gniuždymo įtempį kaitinant vidiniame lenkimo spindulyje. Tempimo įtempis susidaro išoriniame spindulyje. Didžiausias tempiamasis įtempis ties lenkimo išoriniu pluoštu priklauso nuo trijų kintamųjų: temperatūros skirtumo (ΔT), tiesios kojos ilgio (L) ir lenkimo spindulio (R). Spindulio lenkimo teorijos orientacinis aproksimacija suteikia didžiausią ciklinę deformaciją, ε=ΔTL/2R (1), kur yra pateiktame pavyzdyje su=17×10−6, ΔT=100 laipsnis , L=500 mm ir R=30 mm spinduliu, išorėje). yra apie 0,0014 (0,14 %). Ši vertė yra saugi atkaitintam 316 nerūdijančiam plienui, kurio nuovargio riba yra apie 0,2–0,3 % deformacijos 10⁷ ciklų metu. Tačiau jei ΔT pakyla iki 300 laipsnių (apvalkalo temperatūra 320 laipsnių, įprasta kaitinant orą), deformacija yra 0,42 %, o tai viršija nuovargio ribą, o ciklo trukmė yra apribota iki maždaug 10 000–20 000 ciklų iki lūžio pradžios.

Šaltas darbas dėl lenkimo ir jo įtakos nuovargio trukmės sumažėjimui

Mechaninio lenkimo būdas U-vamzdžiams arba L-formos šildytuvams gaminti reikalauja daug šalto darbo lenkimo srityje, ypač išoriniame spinduliu. Kai lenkimo santykis R/D (lenkimo spindulys ir vamzdžio išorinis skersmuo) yra 2,0, išorinis pluoštas formavimo procese patiria ~25-30 % lenkimo įtempimą, o tai atitinka 20-25 % šalto darbo lygį. Šis šaltas apdorojimas padidina 316 nerūdijančio plieno takumo ribą nuo maždaug 205 MPa (atkaitintas) iki 350-450 MPa, tačiau žymiai sumažina medžiagos plastiškumą ir atsparumą nuovargiui. Nuovargio riba – 20 % šalto{34}}dirbimo 316, esant 10{sup 7} ciklų, sumažėja iki maždaug 0,10–0,15 % deformacijos, mažiau nei perpus mažesnės nei atkaitintos medžiagos. Grįžtant į aukščiau esančio oro šildymo atvejį (ΔT=300 laipsnis, L=500 mm, R=30 mm, deformacija=0.42 %), šaltai apdorotas lenkimas sugestų per mažiau nei 1000 ciklų. Praktinis rezultatas yra toks, kad šildytuvai, pagaminti iš atkaitintų vamzdžių, sulenktų be atkaitinimo po lenkimo, nėra tinkami jokiam pritaikymui, apimančiam daugiau nei 1000 temperatūros ciklų. Didelio ciklo atveju (pavyzdžiui, bako šildytuvai, važiuojant dviračiu 20 kartų per dieną, 300 dienų per metus, 5 metus=30 000 ciklų) po lenkimo reikalingas visiškas atkaitinimas, kad būtų atkurtos lenkimo srities nuovargio charakteristikos.

Saugaus ciklų skaičiaus įvertinimas, atsižvelgiant į veikimo parametrus ir lenkimo geometriją

The permitted number of thermal cycles for a 316 sheath bend to crack initiation is a Coffin-Manson relationship, the log of cycles to failure being inversely related to the log of cyclic plastic strain. The limitations shown in the table below have been developed by combining field failure data with laboratory fatigue testing on 316 tubing with varied bend radii and cold work conditions. Two important criteria are identified: For applications with less than 1000 total cycles during the life of the heater (typical of continuous processes that run for weeks or months without shutdown), even moderate cold-worked bends survive reliably. For applications beyond 10,000 cycles (multiple on-off cycles per day over several years), only thoroughly annealed bends with R/D >= 3.0 pasiūlykite tinkamą atsparumą nuovargiui. Taikant daugiau nei 100 000 ciklų (greito-ciklų sistemos, pvz., -naudojimo vieta-karšto vandens šildytuvai), reikalingi specialūs dizaino sprendimai, pvz., tiesūs nesulenkti šildytuvai, lanksčios jungtys arba sumažintas galios tankis, siekiant sumažinti ΔT.

Lenkimo spindulio santykis (R/D) po-lenkimo terminio apdorojimo maksimalus apvalkalo ΔT cikle (laipsnis ) Apskaičiuoti ciklai iki įtrūkimo atsiradimo (10 % nesėkmės) Rekomenduojami maksimalūs ciklai saugiai eksploatacijai Tipiškas pritaikymo tinkamumas
1.5 Nėra (kaip-sulenkta) 50 50,000 10,000 Žemas ciklas, šiltas vanduo (mažas ΔT)
1.5 Nėra (kaip-sulenkta) 150 2,000 1,000 Standartinis vandens šildymas, ribojamas važiavimas dviračiu
1.5 Nėra (kaip-sulenkta) 300 200 100 Oro šildymas; ne dažnam važinėjimui dviračiu
2.0 None (as-bent) 50 >100 000 20 000 Tinka vidutinio šilto vandens ciklams
2.0 Nėra (kaip-sulenkta) 150 5,000 2,000 Priimtinas su pertrūkiais vandens režimu
2.0 Nėra (kaip-sulenkta) 300 500 200 Oro riba; vengti reguliaraus važiavimo dviračiu
3.0 Nėra (kaip išlenktas) 150 15,000 5,000 Tinkamas, geriau atkaitintas dideliems ciklams
3.0 Full solution anneal (1040 °C + quench) 150 >200 000 50 000 Aukšto ciklo vandens šildymas puikus
3.0 Full solution anneal after bending 300 20,000 10,000Suitable for high-cycle air/gas heating 4.0 or more (sweep bend) Full solution anneal 300 >100,000 30 000 Geriausia bet kokiai didelio-ciklo, didelio-ΔT paslaugai
Šiluminio nuovargio įtrūkimų ir gedimų analizės lauko rodikliai

Šiluminio nuovargio įtrūkimai ties lenkimo spinduliu pasižymi ypatingomis savybėmis, išskiriančiomis juos iš kitų tipų gedimo mechanizmų, pvz., įtempių korozijos įtrūkimų (SCC) arba duobių. Nuovargio įtrūkimai paprastai yra perimetriniai (statmenai vamzdžio ašiai) ir atsiranda išoriniame lenkimo spindulyje, būtent ten, kur ciklinis tempimo įtempis yra didžiausias. Jie prasideda išoriniame paviršiuje ir tęsiasi viduje, dažnai daugelyje lygiagrečių plyšių 2-5 mm atstumu vienas nuo kito. Paplūdimio žymės arba juostelės padidinus lūžio paviršių rodo laipsnišką plyšio plitimą per daugelį ciklų. SCC lūžiai dažniausiai yra šakojasi, tarpgranuliniai (aukštesnėje temperatūroje transgranuliniai 316) ir susiję su chlorido poveikiu. Dėl duobių gedimų matomos atskiros skylės, nėra įtrūkimų. Sugedusio šildytuvo posūkyje veikimo ciklų skaičių ir temperatūros skirtumą palyginkite su aukščiau pateikta lentele. Jei taikymo parametrai buvo saugioje zonoje, bet gedimas vis tiek įvyko, labiausiai tikėtinos priežastys yra šios: per griežtas lenkimas (R/D < 2,0), atkaitinimo po lenkimo nebuvimas arba gamybos trūkumas, pvz., įpjova ar siūlė vamzdelyje lenkimo padėtyje. Kokybės užtikrinimas suteikiamas pirkėjams, kuriems reikalingi cikliškai naudojami šildytuvai, kuriems po lenkimo ir atkaitinimo reikia atlikti lenkimo srities radiografinį arba dažų įsiskverbimo patikrinimą, laikantis priimtinumo kriterijaus, kad paviršiuje nėra įtrūkimų ar raukšlių.

Šiluminės įtampos mažinimo vingyje strategijos

Three design modifications are used to lower the cyclic strain when the required cycle count exceeds the allowable limits for a given bend shape. The first and most effective is to increase the bend radius to R/D >= 4.0 ir paverskite posūkį į vingį, dėl kurio šiluminio plėtimosi metu susidaro nedidelė įtampa. Antrasis – montuoti šildytuvą su slankiojančiu arba slankiojančiu flanšu, kad visas šildytuvas galėtų pasislinkti ašine kryptimi kaitinant ir vėsinant, o ne tvirtai laikyti abu galus. Efektyvusis L deformacijos lygtyje sumažinamas per pusę šildytuvo, kurio vienas galas yra fiksuotas, o kitas galas laisvai judėti per slankiojančią sandariklį (išsiplėtimas vyksta tik iš fiksuoto taško į išorę). Trečias būdas yra sumažinti galios tankį ir taip sumažinti apvalkalo temperatūros skirtumą (ΔT) normaliai veikiant. Galios tankio sumažėjimas nuo 8 W/cm2 iki 4 W/cm2 paprastai sumažina apvalkalo temperatūrą nuo 120 laipsnių iki 90 laipsnių, ΔT nuo 100 laipsnių iki 70 laipsnių ir ciklinį įtempimą proporcingai vandens šildymui. Esamuose įrenginiuose, kurie patiria nuovargio gedimus, pakeitus minkšto -paleidimo valdiklį, kuris padidina įtampą daugiau nei 5-10 sekundžių, šiluminis šokas sumažinamas, bet ne visiškai pašalinamas kaupiamasis įtempimas nuo viso ΔT kiekvieno ciklo – tik sumažinus nustatytosios temperatūros ar ciklo dažnį, žymiai pailgėja eksploatavimo laikas.

Pabaiga: suderinkite posūkių dizainą, kad būtų galima skaičiuoti ciklą, kad būtų užtikrintas patikimas aptarnavimas

The bend radius of a U-shaped or L-shaped 316 stainless steel immersion heater is not a geometric afterthought, it is the mechanical component most susceptible to thermal fatigue under cyclic operation. For applications with fewer than 5 cycles per day (less than 2,000 cycles during a 2-year life), standard bends with R/D = 2.0 and no post-bend annealing are suitable for adequate water heating dependability. For high cycle applications (>20 cycles/day, >15,000 cycles in 2 years), post-bending annealing and R/D >= 3.0, kad būtų išvengta ankstyvo lūžių susidarymo. Nurodykite R/D Didesnį arba lygų 4,0 su visišku tirpalo atkaitinimu ir plūduriuojančiu tvirtinimu greito -dviračių sistemoms arba aukštos{4}} temperatūros oro šildymui. Jei naudojate cikliškai, inžinieriai, pirkdami šildytuvus, turėtų reikalauti, kad būtų patvirtintas lenkimo spindulio santykis ir po-lenkimo terminis apdorojimas. Taikant čia aprašytą architektūrą, gaunamas ryšys tarp lenkimo formos,-šalto darbo sąlygų ir ciklų skaičiaus su numatomu nuovargio tarnavimo laiku, todėl pirkėjai gali nurodyti 316 apgaubtų šildytuvų, kurie atlaiko reikiamą šiluminių ciklų skaičių be įtrūkimų lenkimo vietoje.