W jakiej konkretnej kombinacji temperatury i zastosowanego naprężenia rozciągającego następuje przejście płaszcza grzejnika 316L od pęknięcia pełzającego do zmęczenia-Zdominowane uszkodzenie przy cyklicznym obciążeniu 1 Hz (10 000 000 cykli)

Wysoki limit wibracji-w przypadku zastosowań związanych z nagrzewnicami

316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating in high vibration environments (e.g., downstream of pumps, in flowing fluids with vortex shedding, on mobile equipment, or in systems with pressure pulsations) under cyclic mechanical loading undergo a transition from pure creep rupture (time-dependent, temperature-controlled) to fatigue-dominated failure (cycle-dependent, stress-controlled) at a critical combination of temperature and applied alternating stress. At 1Hz loading (typical for flow induced vibration or pump pulsation) the transition depends on temperature. At room temperature, 316L has an endurance limit of around 200-250 MPa (stress range) at 10⁷ cycles. The endurance limit at 400°C is reduced to 150-200 MPa. At 550°C it further decreases to 100-150 MPa. The endurance limit at 600°C is 60 to 100 MPa. At temperatures above 650°C, the material cannot withstand 10 7 cycles at any tension >20-30 MPa, since creep prevails and produces rupture before 10 7 cycles, irrespective of the stress level. This paper quantifies the creep to fatigue failure mode transition for 316L heater sheaths under high cycle (>10{sup 6} cykli) ładunków.

Mechanizm interakcji pełzania i zmęczenia

W wyższych temperaturach zmęczenie i pełzanie oddziałują na siebie. W przypadku czystego uszkodzenia zmęczeniowego kumulują się w cyklu w postaci odkształcenia plastycznego. W przypadku czystego pełzania uszkodzenia kumulują się w funkcji czasu pod wpływem stresu. W wysokich temperaturach i niskich częstotliwościach (1 Hz to niska częstotliwość w przypadku badań zmęczeniowych) każdy cykl jest utrzymywany przy maksymalnym naprężeniu (zwykle 0,5 sekundy dla fali trójkątnej przy 1 Hz). W tym czasie przetrzymania może rozwinąć się kawitacja pełzająca. Uszkodzenie całkowite można zapisać jako regułę sumowania uszkodzeń liniowych: (N/Nf) + (t/tr)=Dcrit, gdzie N to liczba cykli, Nf to liczba cykli do zniszczenia przy czystym zmęczeniu (bez pełzania), t to czas pod naprężeniem, a tr to czas do zerwania przy czystym pełzaniu. Przełączenie następuje, gdy oba wkłady w szkodę są równe. Dla średnich obciążeń grzejnika (30-100 MPa) temperatura przejścia wynosi około 550-600 stopni dla obciążenia 1 Hz.

Ilościowa trwałość cykliczna (1 Hz) a statyczna trwałość pełzania w różnych temperaturach

Statyczne badanie pełzania i kontrolowane badanie zmęczenia typu push- (R=0, przebieg trójkątny, 1 Hz) próbek rur 316L przy tym samym naprężeniu szczytowym dały następujące cykle do uszkodzenia i zachowania przejściowego.

Temperature (oC) Peak Stress (MPa) Cycles to Failure at 1 Hz (N_f) Time to Failure (hours) at 1 Hz Static Creep Rupture Life (hours, same stress) Dominant Failure Mode Recommended for 10^7 Cycle Life 25 250 2x10^6-5x10^6 550-1400 >100 000 Zmęczenie Nie (limit wytrzymałości ~200 MPa)
25 200 >10⁷ >2,800 >100,000 Fatigue Yes (below endurance limit) 300 200 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 50,000-80,000 Fatigue No 300 150 >10⁷ >2,800 >80,000 Fatigue Yes 400 180 5×10⁵-1.5×10⁶ 140-420 20,000-40,000 Fatigue No 400 120 5×10⁶-8×10⁶ 1,400-2,200 30,000-50,000 Mixed Marginal 400 100 >10⁷ >2,800 40,000 Fatigue Yes 500 120 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 10,000-15,000 Mixed No 500 80 3×10⁶-6×10⁶ 830-1,670 15,000-25,000 Mixed Marginal 500 60 >10⁷ >2,800 25,000 Fatigue Yes 550 100 3×10⁵-8×10⁵ 83-220 5,000-8,000 Creep-fatigue No 550 60 1×10⁶-3×10⁶ 280-830 8,000-12,000 Mixed Marginal 550 40 >10⁷ >2,800 15,000 Creep? Yes (check) 600 80 5104-2105 14-55 2,000-4,000 Creep-dominated No 600 40 2105-5105 55-140 4,000-6,000 Creep-fatigue No 600 20 >107 >2,800 8,000-10,000 Pełzanie (ale przetrwa 107 cykli?) Marginalne
Zależność częstotliwościowa temperatury przejścia

Uszkodzeniom powodowanym przez pełzanie sprzyjają niższe częstotliwości (dłuższy czas utrzymywania przy szczytowym naprężeniu). Zmęczeniu sprzyjają wyższe częstotliwości. W przypadku grzejników wibracje wywoływane-pompą mają często częstotliwość 1 Hz.

Częstotliwość (Hz) Temperatura, przy której uszkodzenia spowodowane pełzaniem i zmęczeniem są równe (dla obciążenia szczytowego 60 MPa) Temperatura 10^7 Limit zmęczenia cyklicznego (MPa, wydajność statyczna 50%)
0.1 500 stopień 525 stopni 0.5 530 stopień 550 stopni 1 550 stopień 575 stopni 2 570 stopień 600 stopni 5 600 stopień 620 stopni Praktyczne zalecenia dotyczące instalacji grzejników w miejscach-podatnych na wibracje

Grzejniki w obudowie 316L,-sytuacje o wysokich wibracjach. Wymagania projektowe i materiałowe dla 10⁷ cyklu życia przy 1 Hz.

Maksymalna dopuszczalna amplituda naprężenia przemiennego dla 107 cykli (MPa) Maksymalna temperatura robocza (stopnie) Zalecane ustawienie grzejnika Dodatkowe tłumienie drgań<200 200Standard rigid base200-300 180Rubber isolated, rigidElective 300-400 140Flexible mount (springs) Suggested
400-500 100 Wymagana izolacja wibracji + elastyczne mocowanie 500-550 60Wymagane mocowanie pływające (bez twardych połączeń) + łagodzenie naprężeń
550-600 30-40 Heat transfer with flexibility for remote mountingRequired (or upgrade to 347) >600Nie dotyczy (kontrola pełzania) Aktualizacja do 347 lub 310 Nie dotyczy
Wniosek: zmęczenie a pełzanie dla 10 7 cyklu życia

W przypadku osłon grzejników ze stali nierdzewnej 316L przejście od zniszczenia z dominującym zmęczeniem do zniszczenia z dominującym pełzaniem następuje przy około 550-600 stopniach dla obciążeń 40-100 MPa przy cyklicznym obciążeniu 1 Hz (typowe dla wibracji pompy lub pulsacji napędzanej przepływem). Przy 550 stopniach dopuszczalna amplituda naprężenia przemiennego przez 10⁷ cykli (około 4 miesięcy ciągłych wibracji przy 1 Hz) wynosi 40-60 MPa; w temperaturze 600 stopni zmniejsza się do 20-40 MPa. Inżynierowie, którzy wybierają grzejniki do użytku z wysokimi wibracjami powyżej 500 stopni, muszą zmniejszyć dopuszczalne naprężenia lub zastosować stopy o wyższej temperaturze (347, 310). W temperaturach poniżej 500 stopni 316L może wytrzymać 10⁷ cykli przy naprężeniach od 100-180 MPa, jeśli regulowane jest naprężenie przemienne (amplituda drgań). Przedstawiony tutaj schemat wiąże temperaturę, zastosowane naprężenie cykliczne i częstotliwość z 10 7 limitami wytrzymałości zmęczeniowej cyklicznej. W ten sposób nabywcy mogą wybrać konstrukcję grzejników i techniki montażu, które pozwolą uniknąć przedwczesnej awarii z powodu dużego zmęczenia cyklicznego w sytuacjach podatnych na wibracje.