Ce stres maxim admisibil al cercului la temperatura interioară a mantalei de 500 de grade guvernează durata de viață la rupere de 100.000 de ore a tubului de încălzire din oțel inoxidabil 316

Baza tensiunii de proiectare pentru durata de viață la temperatură ridicată

Pentru țevile electrice de încălzire cu manta din oțel inoxidabil 316 utilizate în aplicații de încălzire cu aer sau gaz la temperatură înaltă, cu temperaturi interne ale metalului de 500 de grade, și în peretele interior al mantalei scufundate în fluide cu temperatură mai scăzută, tensiunea maximă admisă a inelului pentru o durată de viață de 100.000 de ore este un parametru important de proiectare. Pentru o proiectare la temperatura camerei, limita de curgere este baza pentru solicitarea admisibilă, în timp ce pentru o proiectare cu temperatură înaltă pentru o funcționare limitată la fluaj, nivelurile de solicitare sunt astfel încât componenta să nu se rupă prin cavitația prin fluaj și fisurarea limitei de cereale în timpul duratei de viață. Pentru oțelul inoxidabil 316 la 500 de grade, solicitarea medie de a provoca ruptură în 100.000 de ore (aproximativ 11,4 ani de funcționare continuă) este de aproximativ 120-140 MPa, în funcție de chimia specifică a căldurii și de dimensiunea granulelor. Tensiunea maximă admisă a cercului este de 80-95 MPa cu un factor de siguranță obișnuit de 1,5 pentru proiectarea împotriva ruperii prin fluaj (metoda ASME Secțiunea VIII Diviziunea 2). Articolul oferă date cuantificate ale tensiunii de rupere prin fluaj pentru 316 mantale de încălzire în intervalul de temperatură de la 450 de grade până la 650 de grade și o metodologie pentru a calcula presiunea de funcționare sigură și grosimea peretelui pentru funcționare la temperaturi ridicate.

Mecanismul de ruptură prin fluaj și criteriul Larson-Miller

Pentru oțelul inoxidabil 316, ruptura prin fluaj are loc prin cavitația granițelor și propagarea fisurilor. Timpul până la rupere variază cu temperatura conform unei relații Arrhenius și cu stresul conform unei legi de putere inversă. Parametrul Larson-Miller (LMP=T × (C + log t_r), unde T este temperatura absolută în Kelvin, t_r este timpul de rupere în ore și C este o constantă a materialului de obicei 15-20 pentru oțelurile inoxidabile austenitice) este o modalitate de extrapolare a datelor de testare a fluajului pe termen scurt la durate de funcționare extinse. Au fost efectuate teste extinse pe 316 pentru a determina o rezistență la rupere la fluaj de 100.000 de ore la 500 de grade între 110 MPa (limită inferioară, încredere 95%) și 150 MPa (limită superioară) cu o medie normală de 130 MPa. Rezistența la rupere la 100.000 de ore este de 60-90 MPa la 550 de grade. Și la 600 de grade coboară la 30-50 MPa. La 650 de grade rezistența la rupere de 100.000 de ore este de doar 15-25 MPa. Aceasta este sub presiunea inelului din presiunea internă în majoritatea modelelor de încălzitoare și înseamnă că 316 nu poate atinge 100.000 de ore de viață la 650 de grade, indiferent cât de gros este peretele, deoarece ruptura prin fluaj va fi inevitabil. Rezultatul practic este că 316 încălzitoare cu manta construite pentru 100.000 de ore (11,4 ani) de funcționare continuă trebuie să fie construite astfel încât temperatura maximă de funcționare a mantalei să nu fie mai mare de 530-550 de grade, în funcție de presiunea internă.

Stresul admisibil al cercului, cuantificat pentru 100.000 de ore de viață.

Tabelul 4.3 arată solicitarea maximă admisă a cercului pentru tubulatura de încălzire din oțel inoxidabil 316 cu o durată de viață la rupere de 100.000 de ore la temperaturi cuprinse între 450 și 650 de grade. Sunt furnizate trei valori ale tensiunii, adică stresul mediu la rupere (supraviețuire 50%), stresul limită inferioară (supraviețuire 95%, baza de proiectare API/ASME) și stresul permis de proiectare sugerat (limita inferioară împărțită la un factor de siguranță de 1,25-1,5 în funcție de cod. Pentru proiectarea încălzitorului, trebuie calculată presiunea maximă acceptabilă din peretele specificat, folosind presiunea maximă acceptabilă din perete. formula tensiunii: P max=2 t σ permit / D medie, unde t este grosimea peretelui, D medie este diametrul mediu.

Temperatura (grade) Tensiune medie la rupere (MPa) 100.000 ore Limită inferioară (95% supraviețuire) Tensiunea la rupere (MPa) Tensiune permisă pentru proiectare recomandată (MPa) (SF=1.4 pe limita inferioară) Tensiunea maximă a inelului pentru 100.000 MPa {6} Durată de viață tipică (limitată) {6} 475 170-200 145-175 100-125 110 Sigur pentru majoritatea încălzitoarelor
500 120-150 100-130 70-95 85 Baza de proiectare standard 525 85-110 70-95 50-70 60 Proiectarea redusă este necesară 550 60-80 45-65 30-45 40 Durată de viață scurtă-numai la-solicitare redusă 575 40-55 30-45 20-30 25 Marginală pentru serviciu continuu 600 25-40 18-30 12-20 15 Nerecomandat pentru 100.000 de ore 625 15-25 10-18 7-12 10 Inacceptabil pentru viață lungă
650 10-15 5-10 3-7 5 316 nu este potrivit; upgrade aliaj
Transformarea presiunii interne și a grosimii peretelui în efort admisibil

Tensiunea de cerc permisă de proiectare recomandată pentru o manta convențională de încălzire 316 cu diametrul exterior de 10 mm și grosimea peretelui de 1,5 mm (diametrul mediu 8,5 mm) este de 85 MPa la 500 de grade, ceea ce oferă o presiune internă maximă de P_max=(2 1.5 85) ​​/ {{9}0 MPa ({9}} bar). Aceasta este cu mult peste orice presiune fezabilă în serviciul de încălzire cu imersie, demonstrând că ruptura prin fluaj la 500 de grade nu este factorul limitativ pentru un astfel de încălzitor - vor domina alte probleme, cum ar fi oxidarea sau oboseala termică. La învelișuri cu diametru mare sau fluaj la temperatură ridicată devine limitativă. Pentru o manta de 20 mm OD cu perete de 2,0 mm (diametru mediu 18 mm) la 550 de grade (tensiunea admisa 40 MPa), presiunea interna maxima este doar Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 bar). Acest lucru poate fi prea puțin pentru un încălzitor la 550 de grade într-un sistem presurizat (de exemplu apă supraîncălzită sau abur la 80-100 de presiune). Proiectantul ar trebui să mărească grosimea peretelui, să scadă temperatura prin reducerea densității de putere sau să actualizeze materialul.

Factori care afectează rezistența la rupere prin fluaj

Rezistența la rupere la fluaj din tabel este pentru 316 granule ASTM 6-8 (30-50 m) complet recoapte. Trei lucruri modifică aceste valori. Prima este dimensiunea granulelor. Materialul cu granulație grosieră (ASTM 3-5, 50-80 µm) demonstrează o rezistență la rupere la fluaj cu 10-20 % mai mare la aceeași temperatură decât materialul cu granulație fină, deoarece limitele de granulație sunt locurile dominante de cavitație a fluajului, iar granulele mai grosiere înseamnă mai puține limite pe unitate de volum de material și, prin urmare, o densitate mai mică a cavităților. Trecerea la o dimensiune minimă a granulelor de ASTM 5 poate oferi o marjă suplimentară. A doua componentă este prelucrarea anterioară la rece: 10-20% lucru la rece mărește rezistența inițială, dar provoacă eliberare rapidă a tensiunii și recristalizare la aproximativ 500-600 de grade, ceea ce duce la o rezistență la fluaj pe termen lung mai slabă decât materialul complet recoapt. Complet recoacere este mai bine pentru serviciul de fluaj limitat. Al treilea punct este distribuția carburilor. Materialul cu carburi fine intragranulare (din soluție corectă de recoacere) dă întărire prin precipitare care crește rezistența la fluaj. Carburele grosiere de la granulă (sensibilizare) diminuează rezistența la fluaj, deoarece carburile acționează ca locații de nucleare pentru cavități. Carburele fine intragranulare din interiorul unei microstructuri recoapte cu soluție sunt necesare pentru aplicațiile cu restricții de fluaj

Determinarea practică a temperaturii învelișului pentru calculele de viață de fluaj

Temperatura mantalei interioare (temperatura metalului de la peretele interior care reglează fluajul secțiunii transversale-conținând presiune-) a încălzitorului în funcțiune este mai mare decât temperatura mantalei exterioare măsurată în fluidul de proces. Diferența de temperatură pe perete este ΔT=(q × t) / k unde q este fluxul de căldură (W/m2), t este grosimea peretelui și k este conductibilitatea termică de 316 (aproximativ 20 W/m·K la 500 de grade). Pentru un încălzitor obișnuit de apă cu temperatura exterioară a mantalei de 90 de grade și grosimea peretelui de 1,5 mm, temperatura mantalei interioare este cu doar 1-2 grade mai mare, ceea ce este neglijabil. Dacă temperatura tecii exterioare este de 600 de grade, temperatura tecii interioare poate fi de 620-630 de grade din cauza scăderii temperaturii peste perete, ceea ce va reduce foarte mult durata de viață la fluaj. Fluxul de căldură ar trebui să fie utilizat pentru a determina temperatura calculată a peretelui interior atunci când sunt utilizate datele de ruptură prin fluaj, mai degrabă decât temperatura exterioară înregistrată. Fluxarea nu este modul de defecțiune care limitează viața în majoritatea aplicațiilor de încălzire prin imersie în lichide. Pentru încălzirea cu aer și gaz peste 500 de grade, temperatura exterioară trebuie luată în considerare în mod special.

Rezumat: Aplicarea datelor de ruptură prin fluaj la proiectarea încălzitoarelor 316

Pentru încălzitoarele cu carcasă din oțel inoxidabil 316, cu o temperatură internă de 500 de grade, solicitarea maximă permisă a inelului pentru o durată de viață la rupere prin fluaj de 100.000 de ore (11,4 ani) este de 85 MPa (concepție recomandată permisă). Această valoare a tensiunii permite tecilor obișnuite cu diametru mic (10 mm OD, 1,5 mm perete) să facă față presiunilor interne de până la 300 bar – mult peste condițiile normale de utilizare. La 550 de grade, stresul permis este redus la 40 MPa și la 600 de grade la 15 MPa, ceea ce face ca durata de viață la rupere prin fluaj să limiteze pentru multe modele de încălzitoare. Inginerii care au nevoie de 316 teci pentru funcționare la temperatură înaltă trebuie să calculeze temperatura peretelui interior din fluxul de căldură și grosimea peretelui, apoi să selecteze grosimea peretelui și presiunea de funcționare, astfel încât solicitarea rezultată a inelului să nu depășească valorile admisibile din tabel pentru durata de viață dorită. Arhitectura descrisă aici leagă stresul de rupere prin fluaj cu parametrii de temperatură, timp și siguranță, astfel încât clienții să poată construi 316 încălzitoare cu carcasă care vor funcționa continuu timp de 100.000 de ore fără defecțiune prin fluaj.