W jakich warunkach obciążenia cyklicznego powłoka ze stali nierdzewnej 316 w termostacie-z kontrolowaną podgrzewaczem zanurzeniowym powoduje pękanie zmęczeniowe cieplnie na promieniu zgięcia

Promień zgięcia: mechaniczne skupienie powtarzającego się naprężenia rozszerzalności cieplnej

Przedwczesne uszkodzenie mechaniczne elementów w kształcie litery U- lub L-w grzałkach zanurzeniowych w obudowie ze stali nierdzewnej 316, pracujących w częstych cyklach włączania-wyłączania pod kontrolą termostatu, jest najczęściej obserwowane w pobliżu promienia zgięcia. Jednakże promień zgięcia poddawany jest złożonym naprężeniom wieloosiowym w wyniku naprężenia obwodowego od ciśnienia wewnętrznego, naprężenia osiowego wynikającego z rozszerzalności cieplnej podgrzewanych prostych nóg oraz naprężenia zginającego wynikającego z ograniczeń geometrycznych samego zakrzywionego odcinka, w przeciwieństwie do prostych odcinków osłony, które swobodnie rozszerzają się i kurczą na całej swojej długości podczas cykli ogrzewania i chłodzenia. Relaksacja pełzania eliminuje te naprężenia w stali nierdzewnej 316 podczas stabilnej, ciągłej pracy i nie występuje żadne pękanie. W pracy cyklicznej (ponad 5-10 pełnych cykli grzewczych dziennie) częste odkształcenia sprężyste prowadzą do kumulacji uszkodzeń zmęczeniowych. W tym artykule określono ilościowo związek między liczbą cykli, różnicą temperatur, geometrią zgięcia i czasem inicjacji pękania, a także przedstawiono ramy specyfikacji dla zastosowań wymagających dużej liczby cykli.

Mechanizm niedopasowania rozszerzalności cieplnej w obszarze zginania

Gdy osłona 316 w kształcie litery U jest nagrzewana od temperatury otoczenia (20 stopni) do temperatury powierzchni roboczej (zwykle 80-150 stopni w przypadku wody lub 300-500 stopni w przypadku ogrzewania powietrzem/gazem), każda z prostych nóżek rozszerzy się wzdłużnie zgodnie ze współczynnikiem rozszerzalności cieplnej stali nierdzewnej 316, około 17 10-6/stopień. W przypadku grzejnika o długości prostego ramienia 500 mm i temperaturze powierzchni 120 stopni (ΔT=100 stopnia od otoczenia przy włączeniu zasilania) każde ramię rozszerza się o 0,85 mm. Aby umożliwić to rozszerzanie, promień zgięcia, zwykle 20-40 mm (1,5 do 3 razy większa od zewnętrznej średnicy rury), musi się rozciągnąć. Jednakże obszar zgięcia jest również najbardziej grubościenną częścią grzejnika po zgięciu (promień zewnętrzny staje się nieco cieńszy, a promień wewnętrzny grubszy) i powoduje złożony rozkład naprężeń. Rozszerzalność cieplna prostych ramion powoduje naprężenia ściskające podczas nagrzewania na wewnętrznym promieniu zagięcia. Na zewnętrznym promieniu powstają naprężenia rozciągające. Maksymalne naprężenie rozciągające na zewnętrznym włóknie zgięcia jest funkcją trzech zmiennych: różnicy temperatur (ΔT), długości prostego ramienia (L) i promienia zgięcia (R). Wiodące przybliżenie z teorii zginania belki podaje maksymalne odkształcenie cykliczne, ε=ΔTL/2R (1) gdzie jest Dla danego przykładu z=17×10−6, ΔT=100 stopniem, L=500 mm i R=30 mm, obliczone odkształcenie cykliczne przy zewnętrznym promieniu zgięcia wynosi około 0,0014 (0,14 %). Wartość ta jest bezpieczna dla wyżarzonej stali nierdzewnej 316 z granicą zmęczenia wynoszącą około 0,2-0,3% odkształcenia przez 10⁷ cykli. Jeśli jednak ΔT wzrośnie do 300 stopni (temperatura płaszcza 320 stopni, typowa dla ogrzewania powietrzem), wówczas odkształcenie wynosi 0,42%, co przekracza granicę zmęczenia, a trwałość cyklu jest ograniczona do około 10 000–20 000 cykli przed początkiem pękania.

Praca na zimno w wyniku zginania i jej wpływ na zmniejszenie trwałości zmęczeniowej

Technika mechanicznego gięcia w celu wytworzenia rur-w kształcie litery U lub grzejników w kształcie litery L- wymaga znacznej obróbki plastycznej na zimno w obszarze zgięcia, szczególnie na promieniu zewnętrznym. Przy współczynniku zgięcia R/D (promień zgięcia do zewnętrznej średnicy rury) wynoszącym 2,0, włókno zewnętrzne poddaje się w procesie formowania odkształceniu zginającemu wynoszącemu ~25-30%, co odpowiada-poziomowi pracy na zimno wynoszącemu 20-25%. Ta obróbka na zimno zwiększa granicę plastyczności stali nierdzewnej 316 z około 205 MPa (wyżarzana) do 350-450 MPa, ale znacznie obniża ciągliwość i odporność zmęczeniową materiału. Granica zmęczenia wynosząca 20%-obrobienia na zimno 316 w 10{sup 7} cyklach jest zmniejszona do około 0,10-0,15% odkształcenia, czyli mniej niż połowę wartości dla materiału wyżarzonego. Wracając do przypadku podgrzewania powietrza powyżej (ΔT=300 stopni, L=500 mm, R=30 mm, odkształcenie=0.42 %), kolano obrobione na zimno uległoby zniszczeniu w czasie krótszym niż 1000 cykli. Praktyczny wynik jest taki, że grzejniki wykonane z wyżarzanych rur wyginanych bez wyżarzania po zgięciu nie nadają się do żadnego zastosowania wymagającego więcej niż 1000 cykli temperaturowych. W przypadku zastosowań wymagających dużej liczby cykli (na przykład podgrzewacze zbiorników, cykle 20 razy dziennie, 300 dni w roku, przez 5 lat=30 000 cykli) wymagane jest całkowite wyżarzanie po zgięciu, aby przywrócić właściwości zmęczeniowe obszaru zgięcia.

Ocena bezpiecznej liczby cykli w zależności od parametrów pracy i geometrii zgięcia

The permitted number of thermal cycles for a 316 sheath bend to crack initiation is a Coffin-Manson relationship, the log of cycles to failure being inversely related to the log of cyclic plastic strain. The limitations shown in the table below have been developed by combining field failure data with laboratory fatigue testing on 316 tubing with varied bend radii and cold work conditions. Two important criteria are identified: For applications with less than 1000 total cycles during the life of the heater (typical of continuous processes that run for weeks or months without shutdown), even moderate cold-worked bends survive reliably. For applications beyond 10,000 cycles (multiple on-off cycles per day over several years), only thoroughly annealed bends with R/D >= 3.0 zapewniają odpowiednią odporność na zmęczenie. W zastosowaniach obejmujących ponad 100 000 cykli (systemy{{4}szybkich cykli, takie jak-podgrzewacze-ciepłej wody w miejscu-wykorzystania) konieczne są specjalne rozwiązania konstrukcyjne, takie jak proste, nie-wygięte grzejniki, elastyczne połączenia lub zmniejszona gęstość mocy w celu zmniejszenia ΔT.

Współczynnik promienia zgięcia (R/D) po-Obróbka cieplna zgięcia Maksymalna ΔT powłoki na cykl (stopnie) Szacowana liczba cykli do inicjacji pęknięcia (awaria 10%) Zalecana maksymalna liczba cykli dla bezpiecznego użytkowania Typowa przydatność zastosowania
1,5 Brak (jak-wygięty) 50 50,000 10,000 Niski cykl, ciepła woda (mała ΔT)
1,5 Brak (po-wygięciu) 150 2,000 1,000 Standardowe podgrzewanie wody, ograniczony cykl
1,5 Brak (po-wygięciu) 300 200 100 Ogrzewanie powietrzne; nie do częstej jazdy na rowerze
2.0 None (as-bent) 50 >100,000 20 000Do stosowania w cyklach umiarkowanie ciepłej wody
2,0 Brak (jako-wygięty) 150 5,000 2,000 Dopuszczalne w przypadku okresowych zastosowań wodnych
2,0 Brak (jak-wygięty) 300 500 200 Marginalny dla powietrza; unikaj regularnej jazdy na rowerze
3,0 Brak (po wygięciu) 150 15,000 5,000Dostateczny, preferowany wyżarzany w przypadku wysokich cykli
3.0 Full solution anneal (1040 °C + quench) 150 >200,000 50,000Doskonałe ogrzewanie wody w wysokim cyklu
3.0 Full solution anneal after bending 300 20,000 10,000Suitable for high-cycle air/gas heating 4.0 or more (sweep bend) Full solution anneal 300 >100,000 30 000 Najlepsze dla każdej usługi o wysokim-cyklu i wysokim-ΔT
Wskaźniki terenowe analizy pęknięć i uszkodzeń zmęczeniowych termicznie

Pęknięcia zmęczeniowe cieplnie na promieniu zgięcia mają szczególne właściwości, które odróżniają je od innych typów mechanizmów uszkodzeń, takich jak pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC) lub wżery. Pęknięcia zmęczeniowe mają zwykle charakter obwodowy (prostopadle do osi rury) i występują na zewnętrznym promieniu zgięcia, dokładnie tam, gdzie cykliczne odkształcenie rozciągające jest największe. Zaczynają się na zewnętrznej powierzchni i postępują wewnątrz, często w wielu równoległych szczelinach oddalonych od siebie o 2-5 mm. Oznaczenia plażowe lub prążki w powiększeniu na powierzchni pęknięcia wskazują na postępującą propagację pęknięcia w wielu cyklach. Pęknięcia SCC są zwykle rozgałęzione, międzykrystaliczne (w wyższych temperaturach transkrystaliczne w 316) i związane z ekspozycją na chlorki. W przypadku uszkodzeń wżerowych występują izolowane otwory, brak pęknięć. Porównaj liczbę cykli operacyjnych i różnicę temperatur uszkodzonej grzałki na kolanie z powyższą tabelą. Jeśli parametry aplikacji znajdowały się w bezpiecznej strefie, a awaria nadal występowała, najbardziej prawdopodobnymi przyczynami są: zbyt ciasne zgięcie (R/D < 2,0), brak wyżarzania po zgięciu lub wada produkcyjna, taka jak nacięcie lub szew w rurze w miejscu zgięcia. Zapewnienie jakości zapewniamy nabywcom, którzy potrzebują grzejników do użytku cyklicznego, wymagających kontroli radiograficznej lub penetracyjnej obszaru zgięcia po zginaniu i wyżarzaniu, przy założeniu braku pęknięć i fałd powierzchni.

Strategie redukcji naprężeń termicznych na zgięciu

Three design modifications are used to lower the cyclic strain when the required cycle count exceeds the allowable limits for a given bend shape. The first and most effective is to increase the bend radius to R/D >= 4.0 i zamień zagięcie w wygięcie, które skutkuje niskimi odkształceniami podczas rozszerzalności cieplnej. Drugim jest zainstalowanie grzejnika z kołnierzem pływającym lub przesuwnym, tak aby cały grzejnik mógł przesuwać się osiowo podczas ogrzewania i chłodzenia, zamiast bezpiecznie trzymać oba końce. Efektywne L w równaniu odkształcenia jest zmniejszone o połowę, jeśli grzejnik ma jeden koniec nieruchomy, a drugi koniec swobodnie poruszający się przez uszczelkę ślizgową (rozszerzanie następuje tylko od stałego punktu na zewnątrz). Trzecia technika polega na zmniejszeniu gęstości mocy, a tym samym zmniejszeniu różnicy temperatur płaszcza (ΔT) podczas normalnej pracy. Zmniejszenie gęstości mocy z 8 W/cm2 do 4 W/cm2 zwykle zmniejsza temperaturę płaszcza ze 120 stopni do 90 stopni, ΔT ze 100 stopni do 70 stopni i cykliczne odkształcenie proporcjonalnie do podgrzewania wody. W przypadku istniejących instalacji, w których występują awarie zmęczeniowe, modernizacja za pomocą sterownika miękkiego-startu, który zwiększa napięcie w ciągu 5-10 sekund, zmniejsza szok termiczny, ale nie eliminuje w pełni skumulowanego odkształcenia z pełnego ΔT w każdym cyklu – jedynie zmniejszenie wartości zadanej temperatury lub częstotliwości cykli zapewnia znaczne wydłużenie żywotności.

Podsumowując: skoordynuj projekt gięcia z liczbą cykli, aby zapewnić niezawodną obsługę

The bend radius of a U-shaped or L-shaped 316 stainless steel immersion heater is not a geometric afterthought, it is the mechanical component most susceptible to thermal fatigue under cyclic operation. For applications with fewer than 5 cycles per day (less than 2,000 cycles during a 2-year life), standard bends with R/D = 2.0 and no post-bend annealing are suitable for adequate water heating dependability. For high cycle applications (>20 cycles/day, >15,000 cycles in 2 years), post-bending annealing and R/D >= 3.0 są wymagane, aby uniknąć wczesnego powstawania pęknięć. Określ R/D większy lub równy 4,0 z pełnym wyżarzaniem i montażem pływającym w systemach-szybkich cyklach lub w przypadku-ogrzewania powietrzem w wysokiej temperaturze. W przypadku zastosowań cyklicznych inżynierowie powinni przy zakupie grzejników wymagać certyfikacji współczynnika promienia zgięcia i obróbki cieplnej po-zgięciu. Dzięki opisanej tutaj architekturze uzyskuje się związek pomiędzy kształtem zgięcia,-warunkami pracy na zimno i liczbą cykli z oczekiwaną trwałością zmęczeniową, dzięki czemu nabywcy mogą wybrać 316 grzejników w obudowie, które wytrzymują wymaganą liczbę cykli termicznych bez pęknięć na zgięciu.