Како неусклађеност термичке експанзије између цеви грејача од титанијума и њене монтажне прирубнице утиче на животни век цикличког замора под загревањем паром?

Титанијумске цеви за грејање се користе у апликацијама за грејање паром уроњене у кондензат или у директном контакту са паром на температурама од 100 степени до 160 степени. Цев грејача је обично заварена или механички причвршћена за монтажну прирубницу од другог материјала, обично угљеничног челика, нерђајућег челика или челика обложеног ПТФЕ-. Сваки материјал има свој коефицијент термичке експанзије (ЦТЕ). ЦТЕ титанијума степена 2 је приближно 8,6 × 10-6/степен. ЦТЕ угљеничног челика је 12,0 × 10⁻⁶ / степен. Нерђајући челик 316 ЦТЕ=16.0 к 10-6 / степен Циклуси парног грејања загревају систем од амбијенталне (20 степени) до радне температуре (120-160 степени) и хладе се. Разлика у експанзији између титанијумске цеви и њене монтажне прирубнице ствара циклична напрезања на месту причвршћивања. Ова неусклађеност термичког ширења доводи до честог пуцања услед замора на споју врха завара или прирубнице цеви током стотина или хиљада циклуса.

Механизам термичког замора услед неусклађености ЦТЕ

Како се систем загрева, монтажна прирубница се шири више од титанијумске цеви (за челичне прирубнице) или мање од титанијумске цеви (за неке специфичне легуре). Цев је на месту причвршћивања ограничена прирубницом. Ово ограничење доводи до цикличних аксијалних напона у цеви-затезних напона када се прирубница шири више од титанијума током загревања и напона притиска током хлађења. Величина цикличне деформације је пропорционална производу ЦТЕ разлике, температурног колебања и удаљености од неутралне осе. За типичну дужину од 200 мм од прирубнице до првог ослонца, температурни замах од 100 степени са ЦТЕ разликом од 4 × 10-6/степен даје око 0,08 мм диференцијалног померања у сваком циклусу. Ово померање, локализовано на завареном или механичком споју, изазива локална напрезања већа од 0,2%, добро унутар опсега замора ниског циклуса.

Квантитативни век трајања замора на основу материјала прирубнице

Следећи век трајања замора је добијен за цеви од титанијума степена 2 спојене на различите материјале прирубница коришћењем контролисаног циклуса тестирања (промена температуре од 100 степени, 5 минута грејања, 5 минута хлађења):

Титанијумска прирубница (одговара ЦТЕ, 8,6 к 10-6 / степен): век трајања > 100.000 циклуса. Нема неусклађености топлотног ширења. Заваривање осећа само притисак и напрезање вибрација. Пожељни распоред за високо циклично грејање паром.

Прирубница од угљеничног челика (ЦТЕ неусклађеност од 3,4 к 10-6 / степен) Заморни век од 8.000-12.000 циклуса до почетка пуцања. Пукотине се обично формирају близу врха завара након 5.000 до 7.000 циклуса. Погодно за апликације са мање од 2 циклуса дневно (10+ век трајања).

Прирубница од нерђајућег челика 316 (ЦТЕ неусклађеност 7,4 × 10⁻⁶ / степен): век трајања замора 2.500–4.000 циклуса до почетка лома. Велика неусклађеност ЦТЕ-а ствара огроман циклични стрес. Не користити за свакодневну вожњу паром.

Инцонел прирубница (ЦТЕ 13,0 × 10−6 / степен, неусклађеност 4,4 × 10−6 / степен): век трајања замора 1,500–2,500 циклуса Као нерђајући челик. Титанијум-Инконел завар такође представља опасност од галванске корозије у кондензату.

Челична прирубница обложена ПТФЕ (ПТФЕ ЦТЕ 100 к 10⁻⁶ / степен али ограничена челиком): Сложено понашање. ПТФЕ облога се пластично деформише, олакшавајући стезање титанијумске цеви. Добар дизајн кошуљице, век трајања 15.000-20.000 циклуса.

Водич за избор материјала за прирубницу за парно грејање

Табела испод даје оквир одлуке за избор материјала прирубница за монтажу на основу учесталости циклуса парног грејања и радне температуре.

Решење за неусклађеност ЦТЕ материјала прирубнице за фреквенцију и температуру циклуса грејања паре<1/day cycle, 100-120o C steamFlexible transition piece for carbon steel titaniumLow cycle count carbon steel is fine. Use a thin (2 mm) titanium spacer for stress distribution.
1–5 циклуса/дан, 120–140 степени паре Титанијумска прирубница (Град 2) директно заварена за цев. Прирубница има већу почетну цену.
5-20 циклуса дневно, пара на 140-160 степени Титанијумска прирубница са мехом за дилатацију. Мехови обезбеђују диференцијално ширење. Потребан за сервисирање тешких циклуса. Дужи век трајања оправдава додатни трошак.
Постојећа прирубница од угљеничног челика, потребна је честа цикличка употреба. Реконструисана са флексибилном графитном заптивком (дебљине 3 мм) Заптивка се компресује 0,3-0,5 мм по циклусу, апсорбује топлотно померање. Годишња замена заптивки.
Грејање паром са гашењем водом (термички шок, брзо хлађење) Само прирубница од титанијума Брзи циклуси повећавају ефекте неусклађености ЦТЕ. Свака друга метална прирубница ће отказати за 500 циклуса.
Само инжењеринг изван прирубничких материјала

Пречник цеви и дебљина зида утичу на концентрацију напона на споју прирубнице. Шири пречник цеви (50 мм наспрам 25 мм) распоређује циклично напрезање преко већег радијуса смањујући локални напон за 30 – 40 %. Дебљи зидови (2,0 мм наспрам . 1.0 мм) пружају већу отпорност на ширење заморне пукотине када се она покрене. Дизајн шава је слично важан: завар са пуним продором са глатким прелазом (без оштрог зареза на споју прирубнице цеви) повећава век трајања замора за 3-5 пута у поређењу са угаоним заваром са подрезом. Ублажавање напрезања након заваривања (550 степени у трајању од 30 минута) смањује заостала напрезања заваривања која се повећавају до напона термичког циклуса.

Самоуверено прецизирајући

Када наручујете титанијумску цев за грејање за услугу парног грејања, изаберите титанијумску прирубницу истог квалитета као и материјал цеви. Ако буџетска ограничења диктирају употребу прирубнице од угљеничног челика за неку примену, наведите флексибилни прелазни део-50–100 мм дужине танких-титанијумских цеви (0,8 мм)-између круте прирубнице и цеви за грејање. Усклађени део се еластично деформише при температурном циклусу и апсорбује неусклађеност експанзије без оштећења завара. Пронађите средњи број термичких циклуса током животног века грејача. Флексибилни прелазни угљенични челик за 10.000 или мање циклуса је прихватљив. Наведите прирубницу од титанијума само за циклусе више од 10.000. Сваке године током сервиса прегледајте цев{15}}прирубнице помоћу пенетранта за боју. Сваки траг пуцања мора се одмах поправити или заменити. Инжењер избегава скривени квар услед топлотног замора система{18}}загрејаних паром тако што упарује материјал прирубнице са титанијумском цеви или пружа карактеристике{19}}апсорбовања напрезања.