Kai sūrymo aušintuvo garintuve naudojamas titano šildymo vamzdelis (panardintas į 20 % CaCl₂ sūrymą, kai -20–40 laipsnių šilumos siurblio ciklai), kaip sienelės storis įtakoja trapumo ir lūžių riziką žemoje temperatūroje?
Palik žinutę
Pagrindinis{0}}titano šildytuvo dizaino išpardavimas už žemesnę nei nulio sūrymo paslaugą
Sūrymo aušintuvo garintuvuose kaip antrinis šaltnešis naudojamas 20 % kalcio chlorido (CaCl2) sūrymas, veikiantis -20 laipsnių (garinimas) ir 40 laipsnių (kondensacija / atitirpimas). Kartais yra titano šildymo vamzdeliai, skirti atitirpinti ar palaikyti temperatūrą. Titanas turi pereinamąją temperatūrą nuo plastiško iki trapios žemiau nulio. Titanas išlieka lankstus iki -250 laipsnių, skirtingai nei anglinis plienas, tačiau įpjovos, liekamoji įtampa arba vandenilis gali sukelti trapų lūžį žemiau -10 laipsnių. Sienelės storis turi įtakos įtempimo sąlygai įpjovos gale ir aušinimo greičiui terminio ciklo metu. Analizėje įvertinama titano šildymo vamzdžių, kurių ciklas yra nuo -20 laipsnių iki 40 laipsnių, lūžių žemoje temperatūroje rizika ir apskaičiuojamas sienelės storis, kuris sumažina šią riziką.
Poveikis mechaniniam vientisumui: titano perėjimas nuo elastingumo iki trapumo
Titano 2 klasė turi šešiakampę sandarią (HCP) kristalų struktūrą. HCP metalai, skirtingai nei BCC plienai, nepasižymi staigiu plastiškumo{2}}į-trapiu pereinamuoju tempu. Titanas rodo Charpy smūgio energiją nuo 50 J iki -50 laipsnių. Tačiau esant minusinei temperatūrai, atsparumas plyšimui sumažėja, o yra aštrių įpjovų (pvz., suvirinimo pirštas, įbrėžimas ar duobė). 2 laipsnio titano atsparumas plokštumos deformacijai įtrūkimams K_IC esant 20 laipsnių yra apie 100 MPa√m, o esant -20 laipsniui sumažėja iki 70–80 MPa√m. Jei turite įpjovą kartu su likusiu tempimo įtempimu (dėl lenkimo ar suvirinimo), galite gauti trapus lūžių. Vis tiek gana kietas.
Sienelės storis įtakoja įtempimo triašiškumą įpjovos gale. Kuo didesnis storis, tuo stipresnis suvaržymas, ty įtempių būsenos triašiškumas (netoli plokštumos deformacijos) yra didesnis, dėl to sumažėja tariamasis atsparumas plyšimui. Pastebėta, kad 2,0 mm siena turi didesnį apribojimą nei 1,0 mm siena, todėl žemoje temperatūroje ji labiau linkusi įtrūkti. Skaičiavimai, pagrįsti lūžimo mechanika, rodo, kad kritinis trapaus lūžio dydis esant -20 laipsnių 1,0 mm sienai yra apie 2 mm. 2,0 mm sienai tai yra 1,5 mm. Storesnė siena yra jautresnė nedideliems gedimams.
Įtaka šiluminiam našumui: aušinimo greitis ir šiluminis įtempis
Pereinant nuo 40 laipsnių iki –20 laipsnių, titano apvalkalas ir vidinės dalys (MgO, varžos viela) susispaudžia skirtingu greičiu, sukurdami šiluminį įtampą. Šiluminis įtempis $\\sigma_{terminis}=E*\\alpha*\\Delta T=105 GPa * 8,6e-6 * 60=54 MPa, gerokai mažesnis nei derlingumas. Tačiau kai šildytuvas veikia šaltuoju ciklu, papildomas elektrinis šildymas lemia temperatūros gradiento susidarymą visoje sienoje. Storesnė siena (2,0 mm) rodo didesnį nuolydį (ΔT_cond=2.5 laipsnis esant 2,0 W/cm²) nei plonesnė siena (1,2 laipsnio). Gradientas taip pat sukuria lenkimo įtempį vidiniam paviršiui.
Kompromiso-sintezė: sienelės storis ir žemos temperatūros lūžio rizika
Sienelės storis (mm) Atsparumas lūžiams KIC prie -20 laipsnių (MPa√m) Kritinis lūžio dydis (mm) Liekamoji įtampa dėl lenkimo (MPa) Lūžių pavojus esant žemai temperatūrai
0,8 mm 80 (dominuojantis plokštumos įtempis) 2,5 mm 50 MPa Žemas 1,0 mm 78 (mišrus režimas) 2,2 mm 55 MPa Žemas 1,2 mm 75 (mišrus režimas) 1,9 mm 60 MPa Žemas-Vidutinis
1,5 mm 72 (artėjantis plokštumos įtempimas) 1,6 mm 65 MPa Vidutinis 2,0 mm 68 (plokštumos įtempimas) 1,3 mm 75 MPa Vidutinis-Aukštas
Storesnės sienos yra mažiau atsparios-lūžimui (didesnis apribojimas) ir mažesnių kritinių gedimų dydžiai, todėl dėl nedidelių defektų jos labiau linkusios įtrūkti.
Inžinerija už sienos: lydiniai ir defektų kontrolė
Kadangi lūžių riziką lemia defekto dydis ir apribojimai, gedimų mažinimas yra veiksmingesnis nei sienos storio keitimas. Titano paviršiaus elektropoliravimas (Ra Mažiau arba lygus 0,2 µm) pašalina aštrius įpjovimus ir sumažina įtempių koncentraciją. Būdingiausios lūžimo pradžios vietos pašalinamos užtikrinant, kad suvirinimo siūlės būtų lygios (be įpjovimų). Titano padidinimas iki 1 klasės (mažiau geležies ir deguonies, didesnis lankstumas) pagerina tvirtumą žemoje temperatūroje. 1 laipsnio K_IC yra 90–100 MPa√m esant -20 laipsnių, todėl jis iš esmės atsparus trapiems lūžiams net esant 2,0 mm sienelės storiui. Esant labai žemai temperatūrai, pirmenybė teikiama 1 laipsniui.
Išvada: plona sienelė (1,0–1,2 mm) palanki sub-nulinio sūrymo paslaugai
Titano kaitinimo vamzdžio, kuriame yra 20 % CaCl2 sūryme, su -20 laipsnių ir 40 laipsnių ciklu, sutrupėjimo ir lūžimo pavojus žemoje -temperatūroje yra didesnis, kai sienelės storis yra plonesnis (1,0–1,2 mm), nei kai jis storesnis (1,8–2,0 mm). Storesnės sienos turi didesnį įtempių triašiškumą (suvaržymą), kuris sumažina tariamą atsparumą lūžiams ir sumažina kritinio trūkio dydį, susijusį su trapiu lūžiu. Esant -20 laipsniui 2,0 mm siena gali nutrūkti dėl 1,3 mm gedimo, o 1,0 mm siena gali atlaikyti 2,2 mm defektą. Rekomenduojama specifikacija yra 1 arba 2 laipsnio titano sienelių storis 1,0–1,2 mm, elektropoliruoto paviršiaus apdaila ir lygaus šlifavimo siūlės. Reikėtų vengti storesnių sienų (didesnių arba lygių 1,5 mm), išskyrus 1 klasės titano atnaujinimą. Gamintojui nurodykite minimalią eksploatavimo temperatūrą ir numatomą gedimo dydį (pvz., įbrėžimus, suvirinimo siūlę). Skiediklis geriau tinka atsparumui lūžiams, kai naudojamas sūrymo aušintuvas su minusiniais ciklais.
