Czy zmniejszona grubość ścianek ze stali nierdzewnej 316 w elektrycznie podgrzewanych elementach zanurzeniowych zagraża bezpieczeństwu pracy w środowiskach morskich-o wysokich wibracjach?

Wybór stali nierdzewnej 316 jako materiału osłony jest niemal instynktowny dla inżynierów, którzy wybierają odporne na korozję elektryczne elementy grzejne do zastosowań morskich i przybrzeżnych. Stężenie molibdenu w tym gatunku zapewnia sprawdzoną odporność na wżery chlorkowe i korozję szczelinową w atmosferach zasolonych i w strefach rozbryzgów wody morskiej. Jednak innym mniej znanym, ale równie ważnym kryterium jest mechaniczna interakcja między grubością ścianki osłony a długoterminową-tolerancją na drgania. Środowiska morskie są z natury środowiskami charakteryzującymi się silnymi wibracjami – pochodzącymi od agregatów prądotwórczych z silnikiem wysokoprężnym, harmonicznych wału napędowego, zginania kadłuba wywołanego falami i pomocniczych systemów pomp. Grzejnik, który działa bez zarzutu w statycznym zbiorniku na chemikalia, może za kilka miesięcy zepsuć się, gdy zostanie umieszczony na płozie silnika lub na grodzi statku. W artykule zbadano wpływ zmniejszenia grubości ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 na trwałość zmęczeniową przy długotrwałych obciążeniach wibracyjnych. Zapewnia matematyczną podstawę do bezpiecznego określenia w wymagających zastosowaniach morskich.

Grubość ścianki osłony Funkcja mechaniczna pod wpływem cyklicznych naprężeń wibracyjnych
Grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 jest wprost proporcjonalna do jej modułu przekroju, czyli cechy geometrycznej odpornej na momenty zginające i naprężenia cykliczne. W instalacjach narażonych na wibracje element grzejny wykonany jest w formie belki wspornikowej. Płaszcz montowany jest na kołnierzu montażowym lub przyłączu gwintowanym, a wolny koniec wystaje do medium procesowego. Stała krawędź poddawana jest zmiennym naprężeniom zginającym z powodu wibracji pochodzących z powiązanych maszyn. W przypadku przekroju cylindrycznego wskaźnik przekroju jest proporcjonalny do sześcianu różnicy między średnicą zewnętrzną a średnicą wewnętrzną. W praktyce zmniejszenie modułu przekroju o około 40% osiąga się poprzez zmniejszenie grubości ścianki z 2,0 mm do 1,0 mm przy tej samej średnicy zewnętrznej. To zmniejszenie wskazuje na wyższe szczytowe odkształcenia zginające przy tej samej amplitudzie i częstotliwości drgań dla cieńszej powłoki. Inicjacja pęknięć zmęczeniowych ma miejsce, gdy te zmienne obciążenia przekraczają granicę wytrzymałości materiału. W przypadku stali nierdzewnej 316 w warunkach korozyjnych nie ma rzeczywistej granicy zmęczenia; krzywa S-N nadal spada nawet przy bardzo dużej liczbie cykli. W środowisku morskim szybkość propagacji pęknięć wzrasta wraz z obecnością chlorków z powodu zmęczenia korozyjnego. Ponieważ odległość, jaką musi pokonać pęknięcie, aby się rozprzestrzenić, jest mniejsza, pęknięcie rozpoczynające się na zewnętrznej powierzchni osłony o grubości 1,0 mm będzie penetrować całą grubość ścianki ze znacznie większą szybkością niż w osłonie o grubości 2,0 mm. Dlatego pozornie prosta opcja zmniejszenia grubości ścianki w celu lepszego przenoszenia ciepła ma natychmiastowe, ilościowe konsekwencje dla niezawodności mechanicznej w warunkach wibracji.

Ilościowa ocena zmęczenia 316 osłon w służbie morskiej
W maszynowniach okrętowych typowe częstotliwości drgań mieszczą się w przedziale od 15 Hz do 200 Hz z przyspieszeniami od 0,5 g do 5 g, w zależności od odległości od maszyn wirujących. Przy takim samym wejściu wibracji maksymalne naprężenie zginające w punkcie mocowania wzrasta o około 55%, gdy grubość ścianki grzałki zanurzeniowej o długości 300 mm i osłonie o średnicy zewnętrznej 12 mm zmniejsza się z 1,8 mm do 1,0 mm. Modelowanie metodą elementów skończonych tych układów pokazuje, że powłoka ze stali 316 o grubości ścianki 1,0 mm poddana wibracjom pionowym o masie 2 g przy 30 Hz doświadczy szczytowego naprężenia przemiennego o wartości 68 MPa po 10 milionach cykli, co zbliża się do wytrzymałości zmęczeniowej korozyjnej materiału w wodzie morskiej. Wykonaj te same wibracje na osłonie o średnicy 1,8 mm, a otrzymasz tylko 42 MPa naprężenia zmiennego, co stanowi znacznie bezpieczniejszy margines. Laboratoryjne badania zmęczeniowe rur ze stali nierdzewnej 316 w symulowanych środowiskach morskich wykazały, że rury o grubości ścianki 1,0 mm ulegają uszkodzeniom od 8 do 15 milionów cykli przy naprężeniu zmiennym 50 MPa, podczas gdy rury 1,8 mm wytrzymują ponad 50 milionów cykli przy tym samym poziomie naprężenia. Dane te natychmiast przekładają się na życie. Statek pracujący 24 godziny na dobę z dominującymi wibracjami o częstotliwości 30 Hz pozyskuje około 2,6 miliona cykli dziennie. Osłona o grubości 1,0 mm na granicy zmęczenia może ulec uszkodzeniu w czasie krótszym niż tydzień ciągłej pracy. Osłona o grubości 1,8 mm przy niższym naprężeniu przemiennym może przetrwać kilka lat. Wniosek jest jasny – w zastosowaniach morskich-o wysokich wibracjach zmniejszenie grubości ścianki prowadzi do niebezpiecznej pracy, chyba że grzejnik jest mocno podparty lub znacznie skrócony.

Efekty termiczne ulepszonych osłon w architekturach odpornych na wibracje
Grubsze ścianki zapewniają lepszą odporność na zmęczenie wibracyjne, ale należy uwzględnić i kontrolować wpływ czynników termicznych. Opór cieplny powłoki 316 o średnicy 1,8 mm jest o około 35% wyższy niż powłoki o średnicy 1,0 mm i tej samej średnicy zewnętrznej. Aby skompensować wolniejsze przekazywanie ciepła do medium, temperatura wewnętrznego drutu oporowego wzrasta dla danej mocy wejściowej. W zastosowaniach związanych z podgrzewaniem wody, gdzie temperatura płynu w masie jest niższa niż 80 stopni, osłona o grubości 1,8 mm i mocy 12 W/cm² sprawi, że drut wewnętrzny będzie o około 45 stopni cieplejszy niż osłona o grubości 1,0 mm przy tej samej gęstości watów. Wyższa temperatura przyspiesza dwie ścieżki degradacji. Po pierwsze, utlenianie niklowego-chromowego drutu oporowego zachodzi wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury. Żywotność drutu zmniejsza się o połowę, zwiększając temperaturę o 25 stopni powyżej 600 stopni. po drugie, rezystywność izolacji z tlenku magnezu zmniejsza się w wysokiej temperaturze, w związku z czym wzrasta możliwość wystąpienia prądu upływowego. Jednakże karom termicznym można zapobiec, zmniejszając normę gęstości watów. Zmniejszenie wartości znamionowych z 12 W/cm² do 8 W/cm² na osłonie o grubości 1,8 mm zmniejsza temperaturę wewnętrzną drutu o ~60 stopni, zapewniając podobne naprężenia termiczne drutu oporowego, zachowując jednocześnie powłokę mechaniczną odporną na wibracje. Dlatego kompromisem w projektowaniu-nie jest już tylko grubość ścianki, ale skoordynowany wybór grubości i gęstości mocy.

Tabela doboru narażenia na drgania i grubości ścianek grzejnika płaszczowego 316
Poniższa matryca zawiera wytyczne dotyczące konkretnego zastosowania dotyczące określania grubości ścianki osłony 316 w oparciu o zmierzone lub przewidywane poziomy wibracji w zastosowaniach morskich i przemysłowych.

Środowisko instalacji i poziom wibracji Zalecana grubość ścianki osłony 316 Maksymalna bezpieczna gęstość watowa Uzasadnienie techniczne rdzenia
Poduszki ślizgowe silnika głównego, grodzie wału napędowego (przyspieszenie 5 g, 20-100 Hz) 2,0 – 2,5 mm 6 – 8 W/cm²Maksymalny niezbędny współczynnik przekroju. Ryzyko poważnego zmęczenia wymaga możliwie najgrubszej ściany. Gęstość watów obniżona, aby zrekompensować zwiększoną odporność na ciepło.
Pomieszczenie generatora pomocniczego, pompownia (przyspieszenie 2 g, 30 - 60 Hz) 1.6 - 2.0 mm 8 - 10 W/cm 2 Zastąp - wytrzymałością zmęczeniową. Dopuszczalna kara cieplna o umiarkowanej wielkości. Standardowa specyfikacja dla większości morskich nagrzewnic procesowych
Instalacja na pokładzie zbiornika, konstrukcja kadłuba oddalona od maszyn (przyspieszenie 0,5 g – 1 g) 1,2 – 1,6 mm 10 – 12 W/cm2 Wibracje niskie do umiarkowanych. Dopuszczalna standardowa grubość przemysłowa. Regularna kontrola wzrokowa miejsc montażu. Rozmyślny
Statyczny zbiornik na chemikalia (na lądzie-), bez źródeł wibracji 0,8 – 1,2 mm 12 – 15 W/cm² Brak problemów z wibracjami. Przede wszystkim efektywność cieplna. Cieńsza ścianka maksymalizuje przenikanie ciepła. „Analiza zmęczenia? Niepotrzebna.
Rura nośna na całej długości lub zewnętrzne wsporniki prowadzące 1,0 – 1,2 mm Do 15 W/cm² Mechaniczne utwierdzenie eliminuje uginanie się wspornika. Grubość ścianki można zmniejszyć w celu uzyskania zysku cieplnego. Wsparcie projektowe jest niezbędne do osiągnięcia sukcesu.
Techniki instalacji i wsparcia w przypadku cieńszych ścian
W przypadku, gdy wymagania procesu faworyzują cieńszą osłonę ze względu na reakcję termiczną, ale względy związane z drganiami preferują większe ściany, istnieją opcje inżynieryjne wykraczające poza wymiar osłony. Najlepszym sposobem jest mechaniczne podparcie wolnego końca grzałki zanurzeniowej. Belkę wspornikową przekształca się w belkę swobodnie podpartą za pomocą wspornika umieszczonego na ścianie zbiornika lub wewnątrz zbiornika, redukując w ten sposób momenty zginające o około 75% przy takim samym wejściu wibracji. Przy wystarczającym podparciu końcowym osłona 316 o średnicy 1,0-mm może mieć trwałość zmęczeniową równą niepodpartej osłonie o średnicy 2,0-mm. Alternatywnie, drastyczne zmniejszenie długości samonośnej znacznie zwiększa tolerancję na wibracje. Jeśli głębokość zanurzenia zostanie zmniejszona z 400 mm do 200 mm, moment zginający w miejscu mocowania zmniejsza się czterokrotnie. Wiele krótkich penetracji często przewyższa działanie pojedynczego długiego grzejnika w przypadku pracy wibracyjnej. Krótkie grzejniki o dużej gęstości mocy są często lepsze niż pojedynczy długi grzejnik. Nakrętki zabezpieczające i podkładki antywibracyjne w gwintowanym uchwycie pomagają również uniknąć powstawania drgań w miejscu połączenia, typowym miejscu powstawania pęknięć zmęczeniowych, niezależnie od grubości ścianki.

Wniosek: Rzeczywiste widma drgań dla grubości osłony 316
Wymagana jest zmiana myślenia, począwszy od wytrzymałości statycznej na dynamiczną trwałość zmęczeniową, w przypadku grubości ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 do grzałek zanurzeniowych stosowanych w środowisku morskim. Zmniejszona grubość zapewnia rzeczywiste korzyści termiczne-szybszą reakcję, niższą temperaturę drutu wewnętrznego i większą osiągalną gęstość watów. Jednakże obecność długotrwałych wibracji powoduje akumulację cykli naprężeń zginających w cieńszej osłonie, co prowadzi do zniszczenia zmęczeniowego. Trybem awarii nie jest natychmiastowe zapadnięcie się, ale postępująca inicjacja pęknięcia i wzrost, który zwykle pozostaje niewykryty aż do wystąpienia perforacji. Praktycznym przesłaniem dla inżynierów projektantów jest uzyskanie lub oszacowanie widma drgań w zamierzonym miejscu montażu przed ostatecznym określeniem grubości ściany. Dopuszczalne ryzyko osiąga się dla normalnych grubości przemysłowych do 1,0 mm dla poziomów wibracji poniżej 1 g przyspieszenia. Poziomy od 1g do 3g wymagają grubości pośredniej 1,4–1,8 mm lub włączenia podpór końcowych. Poziomy powyżej 3 g wymagają grubościennej osłony o grubości 2,0 mm+ i obniżonych parametrach gęstości watowej, aby pokryć straty termiczne. W razie wątpliwości najsolidniejszą podstawą specyfikacji jest oprzyrządowany pomiar w terenie drgań istniejącej grzałki. Rzadko zdarza się, aby nagrzewnica morska nagle uległa awarii. Jest to raczej oczekiwany skutek decyzji dotyczących projektu mechanicznego podejmowanych bez wystarczającego uwzględnienia środowiska operacyjnego.