Ce stres maxim echivalent de la presiunea internă combinată și constrângerea de dilatare termică la temperatura peretelui interior de 400 de grade previne eșecul prin clichet al tecilor de încălzire din oțel inoxidabil 316

Limita de shakedown a încărcării ciclice termice mecanice

Starea de efort multiaxială a tuburilor electrice de încălzire cu manta din oțel inoxidabil 316, care funcționează în condiții ciclice la temperaturi ridicate (temperatura peretelui interior de 400 C), cum ar fi încălzirea intermitentă a procesului sau sistemele cu cicluri zilnice de pornire-oprire, se datorează combinației tensiunii interne a inelului de presiune și stresului axial indus de expansiune termică. Dacă tensiunea echivalentă (von Mises) depășește limita de scuturare a materialului, învelișul va acumula încordare plastică în timpul fiecărui ciclu de încălzire (clichet), ducând la o creștere treptată a diametrului (umflare) și la ruptura finală. Limita de shakedown pentru 316 la 400 de grade este de aproximativ 1,5 până la 2,0 ori puterea de curgere, în funcție de raportul de tensiune. Dacă solicitarea nu depășește această limită, materialul va răspunde elastic după câteva cicluri (shakedown elastic). Rata de clichet este de 0,01-0,1 % deformare/ciclu peste această limită, iar defecțiunea are loc după 1.000-10.000 de cicluri. În această lucrare, tensiunea echivalentă maximă este calculată pentru funcționarea fără clichet a 316 mantale sub sarcini cuplate.

Mecanismul de clichet sub încărcare multiaxială

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 >randament de 2,0x.

Limite de stres echivalente cuantificate pentru prevenirea clichetului la 400 de grade

Tabelul de mai jos oferă solicitarea maximă echivalentă (von Mises) pentru oțelul inoxidabil 316 la 400 de grade (rezistență de curgere aproximativ 140 MPa) pentru funcționare fără clichet pentru diferite durate de viață, reprezentate ca multipli ai limitei de curgere și a valorilor absolute ale tensiunii.

Tensiune echivalentă (von Mises) în termeni de curgere (400 de grade) Tensiune echivalentă absolută (MPa) Rata de deformare prin clichet (% ciclu-1) Cicluri până la 2% Creștere diametru (criteriul de eșec) Cicluri până la rupere Recomandat pentru serviciu ciclic<1.0× (<140 MPa) <140 0 (elastic shakedown) >100,000 >200.000 Da
1,0-1,2× (140-170 MPa) 140-170<0.001 50,000-100,000 80,000-150,000 Yes (low risk)
1,2-1,5× (170-210 MPa) 170-210 0.001-0.005 10,000-50,000 15,000-80.000 Acceptabil pentru ciclism moderat
1,5-1,8× (210-250 MPa) 210-250 0.005-0.02 2,500-10,000 4,000-20.000 Marginal, monitor
1,8-2,0× (250-280 MPa) 250-280 0.02-0.05 1,000-2,500 1,500-5,000 Nu este potrivit pentru cicluri înalte
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
Încărcări combinate: calculul tensiunii echivalente

Pentru un tub cu pereți subțiri sub o presiune internă (stresul cercului σ_θ) și o restricție axială (stresul axial σ_z) cu efort radial neglijabil, tensiunea echivalentă von Mises este: σ_vM=sqrt(σ_θ{2 + σ_z2 - σ_z2 - σ_θ). Tensiunea cercului de la presiunea internă: σ_θ=P × D_mean / 2t. Tensiunea constrângerii de dilatare termică axială: σ_z=× E × ΔT × K, unde K este un factor de constrângere (0 pentru dilatare total nerestricționată, 1,0 pentru capete total constrânse, intermediar pentru constrângere parțială). Pentru un încălzitor cu ambele capete fixe K=1.0 și efortul axial este compresiv (negativ) pentru încălzire și tracțiune (pozitiv) pentru răcire. Cea mai mare $\\sigma_{vM}$ apare atunci când efortul axial este pozitiv (răcire) și de același semn cu $\\sigma_\\theta$. σ_z=17e{-6 x 180 GPa (la 400C, E ~ 170 GPa) x 380=1100 MPa dacă este complet limitat - cu mult peste randament. Pentru un diametru exterior obișnuit de 10 mm, manta de perete de 1,5 mm la o temperatură a peretelui interior de 400C (Delta T=380C față de mediul ambiant). În practică, atenuarea constrângerii prin îndoire sau flexibilitatea flanșei reduce K efectiv la 0,3-0,7.

Exemplu de utilizare practică și recomandări de proiectare

Să presupunem o manta de 316 (10 mm OD, 1,5 mm perete) cu o presiune internă de 2 MPa (20 bar) la 400 de grade. Tensiunea cercului σ_θ=(2x8,5) / (2x1,5)=5.7 MPa (neglijabilă). Pentru constrângerea axială, K=0.5, σz{=0.5×1,100=550 MPa (încălzire prin compresie, răcire prin tracțiune). Tensiunea echivalentă σ_vM=550 MPa (deoarece σ_θ este mică) care este de 3,9 × curgere la 400 de grade (140 MPa)- bine în zona de clichet rapid. Un astfel de încălzitor s-ar bomba și s-ar defecta în 100 până la 200 de cicluri. Pentru a obține σ_vM la 1,2 x randament (168 MPa), K trebuie să fie redus la 0,15, prin urmare, montarea trebuie să fie aproape liberă pentru a se extinde. Pentru orice încălzitor care funcționează peste 300 de grade, proiectarea trebuie să aibă suporturi glisante, bucle de expansiune sau conexiuni flexibile pentru a reduce factorul de constrângere la mai puțin de 0,2.

Dovezi de teren ale eșecului la clichet

Cel mai izbitor simptom al eșecurilor prin clichet este o expansiune uniformă și permanentă a diametrului tecii (umflarea), de obicei la partea cea mai fierbinte, pe o lungime de 50-200 mm. Poate observa o creștere în diametru de 2-10% înainte de rupere. Ruptura este divizată longitudinal (paralel cu axa tubului) mai degrabă decât fisurată circumferențial, deoarece deformarea cercului de la clichet este mai mare decât deformarea axială. Suprafața fracturii poate prezenta indicii de deformare plastică ciclică (marcaje de plajă). Pentru încălzitoarele aflate în funcțiune, măsurarea periodică a diametrului învelișului la numeroase locuri cu un șubler poate detecta clichetul înainte de defecțiune; o creștere a diametrului de 1% implică faptul că 25-50% din durata de viață de clichet a fost utilizată.

Concluzie: gestionarea constrângerilor pentru a preveni clichetul

Tensiunea echivalentă maximă pentru funcționarea fără clichet-a încălzitoarelor cu carcasă din oțel inoxidabil 316 la o temperatură de 400 de grade peretelui interior este de aproximativ 1,2 × randament (168 MPa) în condiții ciclice. Tensiunea cercului datorată numai presiunii interne este rareori suficient de mare pentru a genera clichet. Tensiunea majoră este constrângerea de dilatare termică axială care poate fi mai mare de 1.000 MPa în cazul unei mantale bine fixate. Sistemul de montare trebuie proiectat astfel încât să permită o dilatare termică liberă prin intermediul etanșărilor glisante, rosturilor de dilatare sau consolelor flexibile, astfel încât factorul de constrângere K să fie sub 0,2. Acolo unde limitarea totală este inevitabilă (de exemplu, în sistemele sudate sub presiune), materialul trebuie să fie actualizat la un aliaj de rezistență mai mare, cum ar fi Inconel 625, sau temperatura de lucru trebuie să fie scăzută sub 300 de grade. Arhitectura actuală corelează stresul echivalent cu rata de clichet și durata ciclului de viață, permițând cumpărătorilor să specifice 316 teci care nu vor crește în diametru sau nu se vor rupe de la solicitarea termică-ciclică mecanică.