Przy jakiej konkretnej kombinacji częstotliwości cyklu termicznego i delty temperatury płaszcz ze stali nierdzewnej 316 o grubości 2,5 milimetra ulega uszkodzeniu w wyniku zapadkowego tworzywa sztucznego przed płaszczem o grubości 1,2 milimetra w trybie ogrzewania reaktora z płaszczem?

Warunki zmęczeniowe narzucone przez wymagania dotyczące cykli termicznych wsadowej obróbki chemicznej są charakterystyczne dla inżynierów procesu, którzy projektują elektryczne podgrzewacze zanurzeniowe do reaktorów płaszczowych i autoklawów i rzadko mają doświadczenie w pracy ciągłej. Reaktor może zmieniać temperaturę od 20 do 200 stopni i z powrotem wiele razy dziennie, a szybkość ogrzewania jest ograniczona potrzebami reakcji chemicznej. Grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 zasadniczo zmienia reakcję naprężenia - odkształcenia na te cykle. Jednak w-intuicyjny sposób ściana o grubości 2,5 mm może ulec uszkodzeniu w wyniku plastycznego zapadnięcia - stopniowego wzrostu odkształcenia w jednym kierunku w każdym cyklu -, podczas gdy cienka ścianka o grubości 1,2 mm pozostanie elastyczna i wytrzyma nieograniczoną trwałość. W artykule tym określono dokładną kombinację częstotliwości cykli cieplnych i delty temperatury, przy której powłoka 316 o grubości 2,5 mm ulegnie uszkodzeniu przed powłoką o grubości 1,2 mm w trybie ogrzewania reaktora z płaszczem.

Plastikowy mechanizm zapadkowy w-grubościennych osłonach
Zapadkę plastyczną definiuje się jako odkształcenie elementu poddawanego cyklicznemu naprężeniu termicznemu, które przekracza granicę plastyczności materiału w jednym kierunku, ale nie w drugim. Po szybkim nagrzaniu zewnętrzna powierzchnia grubej-osłony 316 rozszerza się bardziej niż powierzchnia wewnętrzna, w wyniku czego powierzchnia zewnętrzna ulega ściskaniu, a powierzchnia wewnętrzna jest rozciągana. Jeśli naprężenie to jest większe niż granica plastyczności, materiał odkształca się plastycznie. W miarę ochładzania zewnętrzna powierzchnia kurczy się szybciej. Kierunek naprężeń ulega odwróceniu. Jeśli naprężenie chłodzące nie jest wyższe niż granica plastyczności, materiał nie wraca w pełni do poprzedniego stanu. Każdy cykl ogrzewania powoduje akumulację niewielkiego przyrostu naprężenia rozciągającego na powierzchni wewnętrznej. To naprężenie zapadkowe może osiągnąć 5-10% po tysiącach cykli powodujących osłabienie i ostateczne pęknięcie. W przypadku ścianki o grubości 1,2 mm gradient temperatury w ścianie jest znacznie mniejszy, więc naprężenie termiczne pozostaje poniżej granicy plastyczności zarówno przy ogrzewaniu, jak i chłodzeniu, w związku z czym nie występuje zjawisko zapadki. Kluczową metryką jest liczba Biota – stosunek wewnętrznego oporu przewodzącego do zewnętrznego oporu konwekcyjnego. Liczba biotów przekracza próg zapadkowy dla grubych ścian w ośrodkach o niskiej konwekcji, takich jak lepkie płyny reaktorowe.

Ilościowe granice uszkodzeń zapadkowych
Limity te wyprowadzono z badania metodą elementów skończonych 316 płaszczy pracujących w reaktorze płaszczowym z naturalną konwekcją przenoszenia ciepła (współczynnik 200 W/m2·K). Zapadka występuje, gdy delta temperatury w każdym cyklu jest większa niż 120 stopni, a szybkość nagrzewania jest większa niż 5 stopni na minutę dla ściany o grubości 2,5 mm. Przy delcie 150 stopni i szybkości ogrzewania 10 stopni/min odkształcenie zapadkowe w każdym cyklu wynosi około 0,02%. Po 10000 cykli skumulowane całkowite odkształcenie przekracza 2% i obserwuje się zauważalne osłabienie ścianki. Po 25 000 cykli odkształcenie wynosi 5% z wyraźnymi pęknięciami. W przypadku ścianki o grubości 1,2 mm maksymalne naprężenie termiczne wynosi zaledwie 120 MPa w tych samych warunkach, znacznie poniżej granicy plastyczności 200 MPa wynoszącej 316 przy 150 stopniach, a zatem nie występuje mechanizm zapadkowy. Ściana o grubości 1,2 mm zaczyna pękać przy temperaturze delta powyżej 180 stopni, natomiast ścianka o grubości 2,5 mm załamuje się przy delcie 130 stopni. Zatem niezbędna delta dla mechanizmu zapadkowego inwersyjnego wynosi 120–140 stopni. Poniżej zakresu żadna ściana nie ma grzechotek. Grzechotki dla ścianki o grubości 2,5 mm powyżej tego zakresu i ścianki o grubości 1,2 mm są elastyczne do znacznie większej delty.

Krytyczne progi zapadkowe dla grubości ścianki osłony 316
Poniższa tabela wskazuje kombinacje temperatury krytycznej, delty i szybkości nagrzewania, przy których rozpoczyna się zapadkowe tworzywo sztuczne dla różnych grubości ścianek płaszcza 316 w pracy reaktora z płaszczem. Wartości dotyczą konwekcji naturalnej w lepkim płynie (200 W/m2 K) i maksymalnej temperaturze roboczej 200 stopni.

Grubość ścianki osłony Minimalna różnica temperatur dla rozpoczęcia mechanizmu zapadkowego Minimalna szybkość nagrzewania dla mechanizmu zapadkowego przy 150 stopniach Delta Odkształcenie zapadkowe na cykl przy 150 stopniach delta, 10 stopni/min Cykle do 2% akumulacji odkształceń Cykle do zniszczenia (5% odkształcenia)
0.8 - 1.0 mm Powyżej 180 stopni Powyżej 20 stopni/min Brak poniżej 180 stopni Nie dotyczy Nie dotyczy
1,2 – 1,4 mm Powyżej 170 stopni Powyżej 15 stopni/min Brak poniżej 170 stopni Brak Brak 1,6 – 1,8 mm 150 – 160 stopni 12 – 15 stopni/min 0,005 – 0,010% 20 000 – 40,000 40,000 – 80,000 2.0 – 2,2 mm 130 – 140 stopni 8 – 10 stopni/min 0,015 – 0,025% 8000 – 13,000 20,000 – 30,000 2.5 – 2,8 mm 120 – 130 stopni 5 – 8 stopni/min 0,020 – 0,035% 5000 – 10,000 12 000 – 25 000
Dla reaktora wsadowego, który przechodzi od 20°C do 200°C (delta 180°C) dwa razy dziennie. Liczba cykli rocznie wynosi około 730 cykli. Przy tej delcie osłona o grubości 2,5 mm wygenerowałaby odkształcenie 0,025–0,035% na cykl, które po 5 000–8 000 cykli, czyli 7–11 lat, osiągnęłoby odkształcenie 2%. Osłona o grubości 1,2 mm nie zapadłaby się, a pękłaby jedynie w wyniku innych czynników, takich jak korozja lub zmęczenie wibracyjne. W przypadku reaktorów o większej szybkości nagrzewania, np. z obiegiem gorącego oleju lub pary, początek mechanizmu zapadkowego następuje przy mniejszych deltach. Jeśli podgrzejesz reaktor od 50 stopni do 200 stopni przy 20 stopniach/min, otrzymasz deltę 150 stopni, ale bardzo duży gradient termiczny. Przy tych ustawieniach osłona o grubości 2,5 mm może ulec uszkodzeniu już po 2000 cyklach (3 lata przy 2 cyklach dziennie), podczas gdy osłona o grubości 1,2 mm jest bezpieczna.

Zmiany projektowe zapobiegające zapadce
Trzy zmiany konstrukcyjne mogą zapobiec zapadnięciu się tworzywa sztucznego w-grubościennej osłonie 316 potrzebnej do utrzymania ciśnienia lub naddatku na korozję w pracy reaktora cyklicznego. Pierwszym z nich jest ograniczenie szybkości ogrzewania. Zmniejszenie szybkości rampy z 10°C/min do 3°C/min zmniejsza przejściowy gradient termiczny o ~60% i utrzymuje naprężenie poniżej granicy plastyczności nawet przy ścianie o grubości 2,5 mm. Druga zmiana polega na tym, że zamiast schładzać reaktor do temperatury otoczenia, jest on podgrzewany do minimalnej temperatury gotowości wynoszącej 80 stopni. Mechanizm zapadkowy jest całkowicie wyeliminowany poprzez zmniejszenie delty ze 180 stopni do 100 stopni, bez względu na grubość ścianki. Trzecią zmianą jest wybór materiału o zmniejszonej rozszerzalności cieplnej i wyższej granicy plastyczności w temperaturze. Na przykład współczynnik rozszerzalności cieplnej 316 wynosi 17 × 10 -6/stopień w porównaniu z 14 × 10 -6/stopień dla Incoloy 800H. Incoloy 800H zachowuje również lepszą wytrzymałość w temperaturze 200 stopni. Ta kombinacja zmniejsza naprężenia termiczne o około 25% przy tej samej delcie i grubości ścianki. W większości zastosowań w reaktorach okresowych grubość ścianki 1,2-1,6 mm zapewni wystarczającą wytrzymałość mechaniczną bez zapadania się. Inżynierowie, którzy na ślepo żądają grubych ścian ze względu na „trwałość” w pracy cyklicznej, mogą nieświadomie wybrać system, który przedwcześnie ulegnie awarii w wyniku zapadki. Prawidłowym podejściem jest obliczenie przewidywanej delty cyklu i szybkości nagrzewania, a następnie wybranie najcieńszej ściany, która spełnia wymagania dotyczące ciśnienia i korozji. W razie wątpliwości należy poprosić producenta grzejnika o badanie mechanizmu zapadkowego przy użyciu modelowania metodą elementów skończonych dokładnych warunków cyklu. Dostawca, który nie dostarczy tego badania, może nie rozumieć szczególnych mechanizmów uszkodzeń grubościennych osłon w cyklicznych zastosowaniach termicznych.