Који максимални дозвољени напон на обручу на температури унутрашњег омотача од 500 степени утиче на 100.000-часовни животни век цеви за грејање од нерђајућег челика од 316

Основа пројектованог напрезања за радни век при повишеној температури

За 316 електричних грејних цеви обложених нерђајућим челиком које се користе у апликацијама за грејање ваздуха или гаса на високим температурама са унутрашњим температурама метала од 500 степени, иу унутрашњем зиду омотача уроњених у флуиде ниже температуре, максимално дозвољено напрезање у облику обруча за век трајања пузања од 100.000 сати је важан параметар дизајна. За пројектовање на собној температури, граница попуштања је основа за дозвољени напон, док за високотемпературни дизајн за рад са ограниченим пузањем, нивои напрезања су такви да компонента неће пукнути услед кавитације пузања и пуцања на граници зрна током свог пројектованог века трајања. За нерђајући челик 316 на 500 степени, просечно напрезање које изазива ломљење за 100.000 сати (око 11,4 године непрекидног рада) је око 120-140 МПа, у зависности од специфичне топлотне хемије и величине зрна. Максимално дозвољено напрезање обруча је 80-95 МПа са уобичајеним фактором сигурности од 1,5 за пројектовање против пуцања пузања (АСМЕ Секција ВИИИ Дивизија 2 метода). У чланку су дати квантификовани подаци о напону кидања пузања за 316 омотача грејача у температурном опсегу од 450 до 650 степени и методологија за израчунавање безбедног радног притиска и дебљине зида за рад на повишеној температури.

Механизам пузања и Ларсон{0}}Миллеров критеријум

За 316 нерђајући челик до пуцања пузања долази услед кавитације на граници зрна и ширења прслине. Време до пуцања варира са температуром према Аррхениус релацији и са напоном према инверзном закону снаге. Ларсон-Милеров параметар (ЛМП=Т × (Ц + лог т_р), где је Т апсолутна температура у Келвинима, т_р је време ломљења у сатима и Ц је материјална константа обично 15-20 за аустенитне нерђајуће челике) је начин екстраполације података о краткотрајним тестовима продуженог радног века пузања. Екстензивно тестирање је обављено на 316 да би се одредила ломна чврстоћа пузања од 100.000 сати на 500 степени између 110 МПа (доња граница, 95% поузданост) и 150 МПа (горња граница) са нормалном средњом вредношћу од 130 МПа. Чврстоћа кидања на 100.000 сати је 60-90 МПа на 550 степени. А на 600 степени спушта се на 30-50 МПа. На 650 степени јачина ломљења од 100.000 сати је само 15-25 МПа. Ово је испод обручног напрезања од унутрашњег притиска у већини дизајна грејача и значи да 316 не може да достигне животни век од 100.000 сати на 650 степени без обзира колико је дебео зид, јер ће пуцање пузања бити неизбежно. Практични резултат је да 316 грејача са плаштом изграђених за 100.000 сати (11,4 година) непрекидног рада мора бити конструисано тако да максимална радна температура плашта не буде већа од 530-550 степени у зависности од унутрашњег притиска.

Дозвољено оптерећење обруча, квантификовано за животни век од 100.000 сати.

Табела 4.3 приказује максимално дозвољено напрезање у облику обруча за цеви грејача од нерђајућег челика 316 са веком трајања пузања од 100.000 сати на температурама између 450 степени и 650 степени. Наведене су три вредности напрезања, тј. средњи напон до кидања (50% преживљавања), доњи гранични напон (95% преживљавање, АПИ/АСМЕ основа дизајна) и предложени дозвољени напон (доња граница подељена са фактором сигурности од 1,25-1,5 у зависности од кода. За пројектовање грејача треба израчунати максимални прихватљиви унутрашњи притисак на основу унутрашњег танког притиска). формула напрезања: П мак=2 т σ дозволи / Д средња, где је т дебљина зида, Д средња је средњи пречник.

Температура (степен) Средњи напон кидања (МПа) 100.000 х Доња граница (95% преживљавања) Напон кидања (МПа) Препоручени дизајн Дозвољени напон (МПа) (СФ=1.4 на доњој граници) Максимални напон обруча за 100.000 МПа Лимит (Услуга) {Тип. 475 170-200 145-175 100-125 110 Безбедан за већину грејача
500 120-150 100-130 70-95 85 Стандардна основа дизајна 525 85-110 70-95 50-70 60 Потребан је ослабљен дизајн 550 60-80 45-65 30-45 40 Кратак век-само низак век-само напрезање 575 40-55 30-45 20-30 25 Граница за континуирани рад 600 25-40 18-30 12-20 15 Не препоручује се за 100.000 сати 625 15-25 10-18 7-12 10 Неприхватљиво за дуг живот
650 10-15 5-10 3-7 5 316 није погодан; надоградња легуре
Претварање унутрашњег притиска и дебљине зида у дозвољени напон

Препоручено дозвољено напрезање у облику обруча за конвенционални омотач грејача 316 спољашњег пречника 10 мм и дебљине зида 1,5 мм (средњи пречник 8,5 мм) је 85 МПа на 500 степени, што даје максимални унутрашњи притисак од П_мак=(2 1.5 85) ​​/ {{0} бара (30} МПа). Ово је знатно изнад сваког изводљивог притиска у сервису потопљеног грејача, што показује да пуцање пузања на 500 степени није ограничавајући фактор за такав грејач – доминираће други проблеми као што су оксидација или термички замор. Код плашта великог пречника или високе температуре пузање постаје ограничавајуће. За плашт од 20 мм ОД са зидом од 2,0 мм (средњи пречник 18 мм) на 550 степени (дозвољени напон 40 МПа) максимални унутрашњи притисак је само Пмак=(2 2.0 40) / 18=8.9 МПа (89 бар). Ово може бити премало за грејач на 550 степени у систему под притиском (нпр. прегрејана вода или пара на притиску од 80-100 степени). Дизајнер треба да повећа дебљину зида, снизи температуру смањењем густине снаге или ажурира материјал.

Фактори који утичу на чврстоћу пуцања

Чврстоће кидања пузања у табели су за 316 потпуно жарену АСТМ 6-8 (30-50 м) величину зрна. Три ствари мењају ове вредности. Први је величина зрна. Грубозрнати материјал (АСТМ 3-5, 50-80 µм) показује 10-20% већу отпорност на пуцање при истој температури од финозрнастог материјала јер су границе зрна доминантна места пузања, а крупније величине зрна значе мање граница по јединици запремине материјала, а тиме и нижи цав. Прелазак на минималну величину зрна од АСТМ 5 може да обезбеди додатну маргину. Друга компонента је претходни рад на хладно: 10-20% хладног рада повећава почетну чврстоћу, али узрокује брзо ослобађање напрезања и рекристализацију око 500-600 степени, што доводи до слабије дуготрајне чврстоће пузања од потпуно жареног материјала. Потпуно жарено је боље за употребу са ограниченим пузањем. Трећа тачка је расподела карбида. Материјал са финим интрагрануларним карбидима (од правилног жарења раствора) даје таложно ојачање што повећава отпорност на пузање. Груби карбиди на граници зрна (сензибилизација) смањују снагу пузања јер карбиди делују као нуклеацијске локације за шупљине. Фини интрагрануларни карбиди унутар микроструктуре жарене раствором су неопходни за апликације са ограниченим пузањем

Практично одређивање температуре омотача за прорачуне трајања пузања

Температура унутрашњег омотача (температура метала на унутрашњем зиду која регулише пузање попречног пресека -које садржи-) грејача у раду је виша од температуре спољашњег омотача мерене у процесној течности. Температурна разлика преко зида је ΔТ=(к × т) / к где је к проток топлоте (В/м2), т дебљина зида и к је топлотна проводљивост од 316 (око 20 В/м·К на 500 степени). За типичан бојлер са температуром спољашњег омотача 90 степени и дебљином зида 1,5 мм, температура унутрашњег омотача је само 1-2 степена виша што је занемарљиво. Ако је температура спољашњег омотача 600 степени, температура унутрашњег омотача може бити 620-630 степени због пада температуре преко зида, што ће у великој мери смањити животни век пузања. Топлотни флукс би требало да се користи за одређивање израчунате температуре унутрашњег зида када се користе подаци о пуцању, а не забележена спољна температура. Пузање није режим квара који ограничава животни век у већини апликација за грејање потапањем у течностима. За грејање ваздуха и гаса изнад 500 степени спољне температуре, пузање се мора посебно узети у обзир.

Резиме: Примена података о ломљењу пузања на пројектовање 316 грејача

За 316 грејача у кућишту од нерђајућег челика са унутрашњом температуром од 500 степени, максимално дозвољено напрезање обруча за 100.000 сати (11,4 године) пузања је 85 МПа (дозвољен препоручени дизајн). Ова вредност напрезања дозвољава обичним омотачима малог пречника (10 мм ОД, 1,5 мм зид) да се носе са унутрашњим притисцима до 300 бара – много изнад нормалних услова рада. На 550 степени дозвољено напрезање се смањује на 40 МПа, а на 600 степени на 15 МПа, што ограничава животни век пуцања код многих дизајна грејача. Инжењери којима је потребно 316 омотача за високотемпературну услугу морају израчунати температуру унутрашњег зида на основу топлотног тока и дебљине зида, а затим одабрати дебљину зида и радни притисак тако да резултујући обручни напон не прелази дозвољене вредности у табели за жељени радни век. Архитектура која је овде описана повезује напон пузања са температуром, временом и безбедносним параметрима тако да купци могу да направе 316 грејача у кућишту који ће радити непрекидно 100.000 сати без квара при пузању.