W jaki sposób wytwarzane addytywnie rury ze stali nierdzewnej typu duplex pozwalają uzyskać zoptymalizowane profile grubości ścianek?

Zgodnie z najgorszym-przypadkiem punktu naprężenia, rura wymiennika ciepła jest zwykle ciągniona od końca do końca z tą samą grubością ścianki. To ograniczenie jest eliminowane poprzez produkcję przyrostową, która umożliwia drukowanie rurki ze stali nierdzewnej typu duplex z grubszą ścianką w pobliżu arkusza sitowego, gdzie skupiają się naprężenia, i-cienką jak brzytwa ścianką pośrodku, gdzie ważne jest jedynie utrzymanie ciśnienia, co pozwala na maksymalne wykorzystanie wydajności cieplnej. Projektowanie małych,-wysokosprawnych wymienników ciepła dla platform przybrzeżnych, zakładów chemicznych i zastosowań lotniczych i kosmicznych zmienia się ze względu na możliwość regulacji grubości ścianki na całej długości rury.

Tradycyjne ograniczenie: stała grubość ścianki na całej długości
Tradycyjne rury ze stali nierdzewnej typu duplex (takie jak 2205 i 2507) są wytwarzane poprzez walcowanie, ciągnienie lub wytłaczanie. W wyniku tych procedur powstają rury o ściankach o tej samej grubości na całej długości. Do określenia grubości ścianki wykorzystuje się położenie maksymalnego naprężenia,-zwykle na końcach rury, w miejscu walcowania rury lub przyspawania jej do arkusza sitowego lub w miejscu, gdzie naprężenia zginające są największe.-jest wykorzystywane do określenia grubości ścianki. Dlatego środkowa część rury jest-zaprojektowana tak, aby zapewniać czyste ciśnienie. Nadmiar metalu zwiększa wagę, koszt i opór cieplny. Jednolicie gruba rura zmniejsza wydajność, ponieważ przenikanie ciepła przez ściankę rury jest odwrotnie proporcjonalne do grubości (dla danego materiału i warunków płynu).

Profile o zmiennej grubości ścianki: rozwiązanie w zakresie wytwarzania przyrostowego
Laserowe stapianie łoża proszkowego (LPBF) jest wykorzystywane w produkcji przyrostowej w celu stworzenia optymalnych projektów rur ze stali nierdzewnej typu duplex. Warstwa po warstwie drobny proszek ze stali nierdzewnej typu duplex (takiej jak UNS S31803 lub S32750) jest selektywnie stapiany za pomocą-lasera o dużej mocy. Procedura opiera się na trójwymiarowym-wymiarowym modelu-projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), który określa średnicę wewnętrzną i zewnętrzną rury oraz zmiany osi. W przeciwieństwie do tradycyjnych technik, grubość ścianki można zmieniać w sposób ciągły.

Typowe techniki optymalizacji obejmują:

Grubsze końce: więcej warstw metalu nakłada się na pierwsze 50–100 mm rury w pobliżu każdego końca, gdzie styka się ona z arkuszem sitowym, zwiększając grubość ścianki. Ta wzmocniona strefa radzi sobie z dużymi lokalnymi naprężeniami wynikającymi z toczenia, rozszerzania, wibracji i momentów zginających.

Cieńsza część środkowa: Minimalna grubość konieczna do spełnienia wymagań przepisów dotyczących projektowania ciśnienia (takich jak ASME sekcja VIII, dział 1 lub 2) jest wydrukowana w środkowym obszarze, który podlega wyłącznie naprężeniom obręczy spowodowanym ciśnieniem wewnętrznym. W porównaniu z tradycyjną rurą ciągnioną z tego samego materiału i tego samego ciśnienia, ten środek jest czasami o 30–50% cieńszy.

Stopniowe przejście: Aby zapobiec szybkiej koncentracji naprężeń, zmiana grubości ścianki jest stopniowo zmniejszana na krótkim odcinku (np. 20–30 mm).

Produkt końcowy to komponent o funkcjonalności, w którym metal jest starannie umieszczony tam, gdzie zwiększa integralność mechaniczną, i wyeliminowany tam, gdzie zwiększa tylko wagę i odporność na ciepło.

Zwiększona transmisja ciepła i zmniejszona masa
Podejście oparte na zmiennej-ścianie ma dwie wymierne zalety:

Poprawiony całkowity współczynnik przenikania ciepła (U): Cieńsza ścianka rury obniża opór przewodzący w tych samych warunkach płynu wewnętrznego i zewnętrznego. Stal nierdzewna typu duplex ma przewodność cieplną około 15–17 W/m·K. Przewodzący opór cieplny zmniejsza się o około 40%, gdy grubość ścianki zmniejsza się z 2,0 mm do 1,2 mm (redukcja o 40%), zwiększając ogólną wartość U- o zauważalny margines (zwykle 10–15%, w zależności od współczynników folii).

Zmniejszenie masy: cienkościenny-środek długiej rury (np. 6 m) stanowi większość jej długości. Porównywalna rura ciągniona konwencjonalnie o jednorodnej grubości, wykonana dla tych samych obciążeń końcowych, może ważyć ogółem o 25–40% więcej niż rura zbudowana addytywnie. W przypadku platform morskich i zastosowań lotniczych, gdzie liczy się każdy kilogram, łączna oszczędność masy w pakiecie wymienników ciepła składającym się z setek rur jest znacząca.

Korzyści metalurgiczne wytwarzania przyrostowego dla technologii Duplex
Mikrostruktura wytworzona przez LPBF stali nierdzewnej duplex różni się znacznie od materiału kutego. Bardzo drobna, jednorodna kombinacja austenitu i ferrytu, często o wielkości ziaren w zakresie mikrometrów lub submikrometrów, powstaje w wyniku niezwykle szybkiego krzepnięcia (szybkość chłodzenia do 10 stopni/s). Ta wyjątkowa konstrukcja może zaoferować:

większa granica plastyczności (zwykle o 20–30% wyższa niż w przypadku odpowiedników kutych w stanie-drukowanym).

duża odporność na uderzenia przy odpowiedniej obróbce termicznej.

minimalna segregacja pierwiastków stopowych, co zmniejsza możliwość rozwoju fazy międzymetalicznej podczas druku.

Jednak większość komponentów typu duplex wytwarzanych addytywnie wymaga-wyżarzania i hartowania w roztworze, aby uzyskać najlepszą równowagę fazową i odporność na korozję. Normalny cykl obróbki cieplnej to:

Podgrzej do 1050–1100 stopni, w zależności od gatunku.

Przytrzymaj przez krótki czas (na przykład 30 minut na każde 25 mm grubości skrawku).

Aby zapobiec wytrącaniu się fazy sigma i innych związków międzymetalicznych, szybko zgasić wodą lub gazem.

Wytwarzana addytywnie stal nierdzewna typu duplex po odpowiedniej obróbce cieplnej dorównuje lub przewyższa odporność na wżery (PREN > 40 dla super duplex) jej kutego odpowiednika.

Wpływ wykończenia powierzchni na wydajność
Istnieją dwa sprzeczne skutki tej szorstkości: