W jakiej konkretnej kombinacji cykli termicznych o wysokiej-częstotliwości i wibracji mechanicznych osłona ze stali nierdzewnej 316 o grubości 2,0 milimetra wykazuje gorszą trwałość zmęczeniową w porównaniu z osłoną o grubości 1,2 milimetra w przemysłowych grzejnikach procesowych?

Inżynierowie ds. niezawodności i specjaliści ds. konserwacji pracujący nad elektrycznymi grzałkami zanurzeniowymi do ciągłych procesów przemysłowych (wtryskarki, systemy oleju termicznego, zespoły sprężarek tłokowych itp.) mają do czynienia ze złożonym środowiskiem zmęczeniowym wynikającym z interakcji cykli termicznych i wibracji mechanicznych, które rzadko są odtwarzane w testach jedno-trybowych. Intuicja podpowiadała, że ​​każdy rodzaj obciążenia cyklicznego zawsze powodowałby, że grubsza osłona ze stali nierdzewnej 316 o grubości 2,0 mm wytrzymałaby dłużej niż jej cieńszy odpowiednik o grubości 1,2 mm. Jednakże w zastosowaniach, w których cykle termiczne o wysokiej częstotliwości występują jednocześnie ze znacznymi wibracjami mechanicznymi, sytuacja może być odwrotna. Większe przejściowe naprężenia termiczne występują w grubszej ściance na skutek szybkich wahań temperatury i zwiększonej sztywności ścianki przenoszącej siły drgań bardziej bezpośrednio na granicę międzyfazową MgO i drut oporowy. W pracy tej określono szczególną kombinację częstotliwości cykli termicznych, wahań temperatury i amplitudy drgań, przy której osłona o grubości 2,0 mm ulega uszkodzeniu przed osłoną o grubości 1,2 mm, zapewniając ilościowe kryteria podejmowania decyzji projektowych.

Mechanizm interakcji naprężenia termicznego i zmęczenia wibracyjnego
Artykuł 28 wykazał, że czyste zmęczenie cyklem cieplnym w osłonie ze stali 316 było spowodowane gradientem temperatury na całej grubości ścianki. Przejściowy gradient dla ściany o grubości 2,0 mm podczas cyklu od 20 stopni do 250 stopni przy 10 stopniach/s wynosi około 220 stopni. Powoduje to naprężenie termiczne wynoszące około 350 MPa, znacznie powyżej granicy plastyczności wynoszącej 316 w podwyższonej temperaturze. Materiał nie regeneruje się elastycznie w każdym cyklu i kumulują się uszkodzenia. W przypadku ściany o grubości 1,2 mm identyczny stan przejściowy daje gradient 130 stopni i naprężenie ~200 MPa, często poniżej progu plastyczności. W ten sposób cieńsza ściana ulega niewielkim lub żadnym odkształceniom plastycznym w cyklu temperaturowym, podczas gdy grubsza ściana ulega poważnym uszkodzeniom. Kiedy nachodzą na siebie wibracje mechaniczne, mechanizmy uszkodzeń wchodzą w interakcję. Same wibracje powodują naprzemienne odkształcenia zginające, które są mniejsze w grubszej ścianie ze względu na większy moduł przekroju. Jednakże naprężenia wibracyjne dodają się do naprężeń termicznych podczas fazy nagrzewania. W przypadku osłony o grubości 2,0 mm, gdy plastyczność została już osiągnięta lub przekroczona przez samo naprężenie termiczne, dodanie nawet najmniejszego naprężenia wibracyjnego wpycha materiał dalej w stan plastyczny, zwiększając w ten sposób inicjację pęknięć. Osłona o grubości 1,2 mm jest nadal elastyczna tylko pod wpływem naprężeń termicznych. Po dodaniu naprężeń wibracyjnych materiał może nadal znajdować się poniżej granicy plastyczności, w związku z czym uszkodzenie nie ulega przyspieszeniu.

Ilościowe kryteria inwersji trwałości zmęczeniowej
Kontrolowane badania laboratoryjne, obejmujące podgrzewane osłony 316 na stole wibracyjnym z jednoczesnymi cyklami termicznymi, wskazały szczególne warunki, w których trwałość osłony 2,0 mm jest krótsza niż powłoki 1,2 mm. Przy częstotliwości cykli termicznych wynoszącej 2 cykle na godzinę (48 cykli dziennie), wahaniach temperatury od 20 do 250 stopni i amplitudzie wibracji 1 g przy 30 Hz, ścianka o grubości 2,0 mm ulega uszkodzeniu przy około 8000 cykli, podczas gdy ścianka o grubości 1,2 mm przekracza 25 000 cykli bez awarii, lub przy współczynniku inwersji trwałości większym niż 3:1 na korzyść cieńszej ścianki. Osłona o grubości 2,0 mm wytrzymuje 15 000 cykli przy amplitudzie wibracji 0,5 g, ale mniej niż 25 000 cykli osłony o grubości 1,2 mm. Przy poziomie wibracji wynoszącym 0,2 g, typowym dla dobrze izolowanych instalacji, osłona o grubości 2,0 mm osiąga 22 000 cykli, co jest wartością zbliżoną do wydajności cienkościennej, ale nie lepszą. W przypadku częstotliwości cykli termicznych poniżej 0,5 cykli na godzinę (12 cykli dziennie) osłona o grubości 2,0 mm zapewnia wystarczający czas pomiędzy cyklami w celu zmniejszenia naprężeń, a jej trwałość zmęczeniowa jest lepsza niż osłona o grubości 1,2 mm. Zatem kluczową strefą, w której grube ściany zachowują się gorzej, są amplitudy drgań większe niż 0,3 g i częstotliwości cykli cieplnych większe niż 1 cykl na godzinę. W tym trybie mechanizm uszkodzenia wynika głównie ze zwiększonego naprężenia termicznego grubszej ściany, podczas gdy naprężenie wibracyjne działa raczej jako czynnik przyspieszający niż główną przyczynę.

316 osłon - Połączona matryca wyboru obciążenia
Poniższa tabela zawiera sugerowane grubości ścianek osłony wynoszące 316 do zastosowań z jednoczesnymi zmianami temperatury i wibracjami mechanicznymi. Wartości opierają się na połączonych danych testowych przy wahaniach temperatury od 20 do 250 stopni i częstotliwości wibracji 30 Hz.

Częstotliwość cykli termicznych (cykle/godz.) Amplituda wibracji (g) Wahania temperatury (stopnie) Zalecana grubość ścianki płaszcza 316 Liczba cykli prowadzących do zniszczenia przy zalecanej grubości Oczekiwany dominujący mechanizm uszkodzenia
<0.5Any Any 2.0 – 2.5 mm 20,000 – 30,000 Vibration stress; thick wall is desirable
0,5 – 1,0 Mniej niż 0,2 g Do 200 stopni c 1.6 - 2.0 mm 18,000 - 25 000 Dopuszczalna mieszana dowolna grubość
0,5 – 1.0 0.2 – 0,5 g Do 200 stopni 1,2 – 1,6 mm 15 000 – 22 000 Powstawanie naprężeń termicznych Preferuj cienkie ścianki
1,0 – 2,0 Mniej niż 0,2 g 150 – 250 stopni 1,2 – 1,6 mm 18 000 – 25 000 Przeważają naprężenia termiczne, należy unikać grubych ścian
1,0 – 2.0 0.2 – 0,5 g 150 – 250 stopni 1,0 – 1,2 mm 15 000 – 20 000 Ładowanie łączone; konieczna cienka ściana
1,0 – 2,0 Ponad 0,5 g Dowolne Niezalecane w przypadku 316<10,000 Upgrade to Incoloy 800H or isolate vibration
Powyżej 2,0 Dowolna Powyżej 150 stopni Niezalecana Poniżej 8000 Zbyt surowa dla cykli termicznych 316
W obszarze wysokiego-ryzyka-częstotliwości cykli termicznych matrycy powyżej 1 na godzinę i wibracji powyżej 0,3 g inżynierowie mają trzy możliwości zastosowania. Pierwsza polega na odizolowaniu grzałki od drgań za pomocą elastycznych uchwytów lub zdalnego mocowania obudowy terminala. Redukcja wibracji z 0,5 g do 0,1 g może poprawić trwałość zmęczeniową od 3 do 5 razy. Opcja 2 polega na zminimalizowaniu częstotliwości cykli termicznych poprzez ustawienie minimalnej temperatury w trybie gotowości, zamiast przełączania grzejnika z temperatury otoczenia do 150°C-250°C. Inną alternatywą jest Incoloy 800H, który ma zmniejszoną rozszerzalność cieplną i wyższą-wytrzymałość w wysokich temperaturach, a tym samym lepszą odporność na zmęczenie cieplne i wibracje. Inżynierowie powinni zasięgnąć od producentów danych dotyczących zmęczenia przy obciążeniu przy doborze grzejników do zespołów sprężarek tłokowych lub urządzeń do formowania wtryskowego, gdzie występuje wiele cykli nagrzewania i duże wibracje. Dostawca jednomodowy nie może poprawnie przewidzieć żywotności w rzeczywistym działaniu (tylko cykle cieplne lub tylko wibracje). Koszt przedwczesnych awarii w wielu zastosowaniach jest wysoki i często wymaga nieplanowanych przestojów procesów ciągłych. Właściwy dobór grubości ściany w oparciu o zintegrowaną analizę obciążenia jest kluczowym wyborem inżynierskim i nie można go po prostu zastąpić praktyczną zasadą, że grubsze jest zawsze lepsze. W trudnej kombinacji cykli termicznych o wysokiej częstotliwości i łagodnych wibracji, osłona 316 o grubości 1,2 mm często wytrzymuje dwa razy lub dłużej niż powłoka o średnicy 2,0 mm. Zatem cieńsza ściana jest właściwą specyfikacją pod względem trwałości i wydajności cieplnej.