Koks yra kiekybinis terminis įtempis (MPa), susidarantis 2,5 mm storio titano šildytuvo sienelėje, kai vanduo gesinamas nuo 95 laipsnių iki 20 laipsnių?

Proceso inžinierius, susirūpinęs dėl šiluminio smūgio sugadinimo storasienei titano šildytuvui (2,5 mm), atvėsinus nuo 95 laipsnių iki 20 laipsnių vandens, gali nustatyti kiekybinį šiluminį įtempį sienoje pagal greitai aušinamo vamzdžio šiluminio įtempio lygtį. Didžiausias šiluminis įtempis (σ th ) atsiranda vidiniame paviršiuje (darant prielaidą, kad greitas aušinimas iš išorės) ir apskaičiuojamas taip: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) kur E yra tamprumo modulis (110 GPa), yra šiluminio plėtimosi koeficientas (8,6 × {{9} ν 5 yra temperatūra), T (7 pokytis / laipsnis). Puasono koeficientas (0,34) ir f( ) yra geometrijos koeficientas, priklausantis nuo Bioto skaičiaus (aušinimo greičio). Storasieniui vamzdžiui (t=2.5 mm, OD=25 mm), gesinamam vandenyje (h=1, 000–5 000 W/m²K, Bioto skaičius > 10) f( ) ≈ 1,0 (visiškas terminis šokas). Apskaičiuotas šiluminis įtempis yra σ_th=(110 × 10 9 × 8,6 × 10 6 × 75) / (1 - 0,34)=(110e9 × 6,45e-4) / 0.66=(71 × 10 6)} Šis įtempis sudaro apie 39 procentus takumo ribos (275 MPa) ir 54 procentus didžiausio tempimo stiprumo (345 MPa). Šiluminio nuovargio įtrūkimus gali sukelti pasikartojantys šiluminiai smūgiai (100–1000 ciklų), kai įtempiai yra mažesni už takumo ribą.

Šiluminių įtempių susidarymo gesinimo metu mechanizmas
Jei karštas titano vamzdis panardinamas į šaltą vandenį, išorinis paviršius atvėsta ir greitai susispaudžia. Vidinis paviršius, išliekantis karštas, priešinasi šiam susitraukimui, todėl išorinis paviršius yra įtemptas, o vidinis paviršius suspaudžiamas (vamzdžiui, aušinamam iš išorės). Esant dideliems šilumos perdavimo koeficientams (h > 5000 W/m²K), temperatūros skirtumas per sienelės storį gali būti 30-50 laipsnių 2,5 mm sienai per pirmąsias kelias gesinimo sekundes. Šiluminis įtempis yra susijęs su momentiniu temperatūrų skirtumu visoje sienoje ir yra didžiausias maždaug 0,3–0,5 $\\times$ $\\Delta T_{viso} $. Apskaičiuotas 108 MPa yra didžiausias įtempis gesinimo metu. Viršijus takumo ribą, įvyksta plastinė deformacija ir po aušinimo atsiranda liekamųjų tempimo įtempių, todėl padidėja jautrumas įtempių korozijos įtrūkimams.

Šiluminio streso kiekybinis įvertinimas kaip sienos storio ir gesinimo sunkumo funkcija
Sienelės storis t (mm) Atvėsinimas Vidutinis šilumos perdavimo koeficientas h (W/m 2 K) Maks. ΔT per sieną ( laipsnis ) Šiluminis įtempis (MPa) % derliaus (275 MPa) Plastiko deformacijos pavojus
1,5 Negazuotas vanduo (švelnus) 500 15 22 8% Nėra 1,5 Sumaišytas vanduo 2,000 30 43 16% Nėra
1.5 Gesinimas (šaltas vanduo) 5,000 45 65 24% Nėra
2,0 gesinimas (šaltas vanduo) 5,000 55 79 29 % Nėra 2,5 gesinimas (šaltas vanduo) 5,000 65 108 39 % Nėra (elastingas)
3.0 Gesinimas (šaltas vanduo) 5,000 75 125 45% Nėra (elastingas)
2.5 Ledinis vanduo (0 laipsnio, ΔT=95 laipsnio) 10,000 85 140 51% Arti derliaus
3.0 Ledinis vanduo (0 laipsnių ) 10000 100 165 60%Tikėtina plastinė deformacija
Scenarijus{0}}pagrįstas terminio šoko valdymo vadovas
Darbo sąlygos ir gesinimo tipas Sienelės storis (mm) Šiluminis įtempis (MPa) Įtrūkimų rizikaRekomenduojami veiksmai:
Įprastas išjungimas, vėsinimas oru (lėtas) 1,5–3,0 < 10 NiekoJokių problemų
Įprastas išjungimas, skalavimas vandeniu (šiltas) 1.5-2.0 20-40 Nepriimtina
Avarinis gesinimas (šaltas vanduo, vieną{0}}kartą) 2.5 108 Mažas (vieną-kartą) Priimtinas. Po įvykio patikrinimas.
Avarinis gesinimas (ledo vanduo, vienas incidentas) 2.5 140 Vidutinis (gali duoti vietoje) Išimkite šildytuvą, kad būtų atliktas patikrinimas.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) su vandens gesinimu Sumažintas aušinimo greitis.
Dažnas (kasdienis) gesinimas Bet koks > 2,0 > 100 Didelis (nuovargio įtrūkimai) Vietoj gesinimo naudokite rampinį aušinimą (kontroliuojamas greitis).
Quench from high temperature (>150 laipsnių) 2,5 > 200 SunkusNerekomenduojama. Naudokite lėtą aušinimą ar kitą medžiagą.
Techninis gesinimo{0}}sukelto šiluminio įtempio mažinimas
Šilumos gesinimas yra neišvengiamas naudojant storasienes titano šildytuvus, tačiau yra trys švelninimo priemonės, padedančios sumažinti šiluminį įtampą. Pirmasis sušvelninimo būdas yra šilto gesinimo vandens naudojimas (40-50 laipsnių ir . 20 laipsnių). Sumažinus ΔT nuo 75 laipsnių iki 45 laipsnių, šiluminis įtempis sumažinamas nuo 108 MPa iki 65 MPa (sumažėjimas 40%), o įtempis yra daug mažesnis už išeigą. Antrasis švelninimo būdas – vietoj maišyto vandens naudoti negazuotą vandenį (h=500 W/m2K vietoj 5 000), kad pailgėtų gesinimo laikas. Sumažintas šilumos perdavimo koeficientas sumažina temperatūros gradientą per sieną, sumažindamas didžiausią įtempį iki 22 MPa 2,5 mm sienai. Trečias švelninimo būdas yra išankstinis šildytuvo aušinimas oru prieš gesinimą vandeniu. Aušinimas ore nuo 95 laipsnių iki 60 laipsnių (10 min.), po to gesinimas sumažina ΔT nuo 75 laipsnių iki 40 laipsnių, taigi ir šiluminį įtampą.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C gesinti
2,5 mm storio 2 laipsnio titano šildytuvo sienelė patiria maždaug 108 MPa kiekybinį šiluminį įtampą gesinant nuo 95 laipsnių iki 20 laipsnių vandens, kurio šilumos perdavimo koeficientas yra 5000 W/m2K (maišytas vanduo). Šis įtempis yra 39% medžiagos takumo ribos (275 MPa) ir 54% didžiausio tempimo stiprio (345 MPa). Įtempimas vis dar yra elastingumo diapazone, todėl vienas gesinimas nesukels plastinės deformacijos ar greito gedimo. Pakartotinis gesinimas šiluma (100-1 000 ciklų) gali sukelti terminį nuovargio įtrūkimą, ypač suvirinimo siūlėse, įbrėžimų ar kitų įtempių koncentratorių vietose. Norint pailginti šildytuvo tarnavimo laiką, rekomenduojamas šiltas gesinimo vanduo (40–50 laipsnių), vidutinis vėsinimas negazuotame vandenyje ir išankstinis aušinimas oru. Ten, kur reikia dažnai gesinti, sumažinus sienelės storį iki 1,5–2,0 mm, šiluminis įtempis sumažinamas iki 65–79 MPa, ty saugiame elastingumo diapazone.