Под којом специфичном комбинацијом температуре и примењеног затезног напона долази до преласка омотача грејача од 316Л од пуцања пузања до замора-Доминирани отказ при 1 Хз циклусном оптерећењу (10.000.000 циклуса)

Високо{0}}ограничење замора због вибрација за апликације грејача

316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating in high vibration environments (e.g., downstream of pumps, in flowing fluids with vortex shedding, on mobile equipment, or in systems with pressure pulsations) under cyclic mechanical loading undergo a transition from pure creep rupture (time-dependent, temperature-controlled) to fatigue-dominated failure (cycle-dependent, stress-controlled) at a critical combination of temperature and applied alternating stress. At 1Hz loading (typical for flow induced vibration or pump pulsation) the transition depends on temperature. At room temperature, 316L has an endurance limit of around 200-250 MPa (stress range) at 10⁷ cycles. The endurance limit at 400°C is reduced to 150-200 MPa. At 550°C it further decreases to 100-150 MPa. The endurance limit at 600°C is 60 to 100 MPa. At temperatures above 650°C, the material cannot withstand 10 7 cycles at any tension >20-30 MPa, since creep prevails and produces rupture before 10 7 cycles, irrespective of the stress level. This paper quantifies the creep to fatigue failure mode transition for 316L heater sheaths under high cycle (>10{суп 6} циклуса) оптерећења.

Механизам интеракције пузања и умора

На вишим температурама умор и пузање су у интеракцији. Код чистог замора оштећење се акумулира по циклусу као пластично напрезање. Код чистог пузања оштећења се акумулирају као функција времена под стресом. На високим температурама и ниским фреквенцијама (1 Хз је ниска фреквенција за испитивање замора), сваки циклус има задржавање на вршном напрезању (обично 0,5 секунди за троугао талас на 1 Хз). Током овог времена држања може се развити кавитација пузања. Укупна штета се може написати као правило линеарног сумирања оштећења: (Н/Нф) + (т/тр)=Дцрит, где је Н број циклуса, Нф је број циклуса до отказа у чистом замору (без пузања), т је време под стресом и тр је време до пуцања при чистом пузању. Промена се дешава када су два доприноса штети једнака. За просечна оптерећења грејача (30-100 МПа) прелазна температура је око 550-600 степени за оптерећење од 1 Хз.

Квантификовани циклични (1 Хз) у односу на статички живот пузања на различитим температурама

Статичко пузање и контролисано тестирање замора-повлачењем (Р=0, троугласти таласни облик, 1 Хз) узорака цеви од 316Л при истом вршном напону довели су до следећих циклуса до отказа и понашања у прелазу.

Temperature (oC) Peak Stress (MPa) Cycles to Failure at 1 Hz (N_f) Time to Failure (hours) at 1 Hz Static Creep Rupture Life (hours, same stress) Dominant Failure Mode Recommended for 10^7 Cycle Life 25 250 2x10^6-5x10^6 550-1400 >100.000 Замор Не (граница издржљивости ~200 МПа)
25 200 >10⁷ >2,800 >100,000 Fatigue Yes (below endurance limit) 300 200 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 50,000-80,000 Fatigue No 300 150 >10⁷ >2,800 >80,000 Fatigue Yes 400 180 5×10⁵-1.5×10⁶ 140-420 20,000-40,000 Fatigue No 400 120 5×10⁶-8×10⁶ 1,400-2,200 30,000-50,000 Mixed Marginal 400 100 >10⁷ >2,800 40,000 Fatigue Yes 500 120 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 10,000-15,000 Mixed No 500 80 3×10⁶-6×10⁶ 830-1,670 15,000-25,000 Mixed Marginal 500 60 >10⁷ >2,800 25,000 Fatigue Yes 550 100 3×10⁵-8×10⁵ 83-220 5,000-8,000 Creep-fatigue No 550 60 1×10⁶-3×10⁶ 280-830 8,000-12,000 Mixed Marginal 550 40 >10⁷ >2,800 15,000 Creep? Yes (check) 600 80 5104-2105 14-55 2,000-4,000 Creep-dominated No 600 40 2105-5105 55-140 4,000-6,000 Creep-fatigue No 600 20 >107 >2,800 8,000-10,000 пузања (али преживљава 107 циклуса?) Маргинално.
Фреквенцијска зависност прелазне температуре

Оштећењу од пузања погодују ниже фреквенције (дуже трајање задржавања при вршном напрезању) Замору погодују вишим фреквенцијама За грејаче, вибрације изазване пумпом{0}} често су на 1 Хз.

Фреквенција (Хз) Температура при којој су пузање и оштећење од замора једнаки (за вршно оптерећење од 60 МПа) Температура 10^7 Граница замора циклуса (МПа, 50% статичког приноса)
0.1 500 степен 525 степени 0.5 530 степен 550 степени 1 550 степен 575 степени 2 570 степен 600 степени 5 600 степен 620 степени Практичне препоруке за уградњу грејача у условима вибрација-

Грејачи у кућишту од 316Л, ситуације са високим{1}}вибрацијама. Захтеви за дизајн и материјал за животни век циклуса од 10⁷ на 1 Хз.

Максимална дозвољена амплитуда наизменичног напона за 107 циклуса (МПа) Максимална радна температура (степен) Препоручено позиционирање грејача Додатно пригушивање вибрација<200 200Standard rigid base200-300 180Rubber isolated, rigidElective 300-400 140Flexible mount (springs) Suggested
400-500 100 Потребан је изолација од вибрација + флексибилан носач 500-550 60Плутајући носач (без чврстих веза) + смањење стреса
550-600 30-40 Heat transfer with flexibility for remote mountingRequired (or upgrade to 347) >600 Није применљиво (контролисано пузањем) Надоградите на 347 или 310 Н/А
Закључак: умор против пузања за 10 7 животни век

За омоте грејача од нерђајућег челика од 316Л прелазак са квара којим доминира замор на квар којим доминира пузање се дешава на око 550-600 степени за оптерећења од 40-100 МПа при цикличном оптерећењу од 1 Хз (типично за вибрације пумпе или пулсирање покретано протоком). На 550 степени дозвољена алтернативна амплитуда напрезања за 10⁷ циклуса (око 4 месеца континуиране вибрације на 1 Хз) је 40-60 МПа; на 600 степени смањује се на 20-40 МПа. Инжењери који одређују грејаче за употребу са високим вибрацијама изнад 500 степени морају смањити дозвољена напрезања или надоградити на легуре са вишим температурама (347, 310). На температурама испод 500 степени, 316Л може да издржи 10⁷ циклуса при напонима од 100-180 МПа ако се регулише наизменични напон (амплитуда вибрације). Овај оквир приказан овде повезује температуру, примењено циклично напрезање и фреквенцију са границама издржљивости замора циклуса 10 7. Дакле, купци могу да изаберу дизајн грејача и технике монтаже који избегавају превремени квар услед високог циклусног замора у ситуацијама склоним вибрацијама.