Jakie jest maksymalne bezpieczne ciśnienie wewnętrzne dla osłony grzejnej ze stali nierdzewnej 316, gdy grubość ścianki zmniejsza się poniżej 1,2 milimetra w systemach z cieczą-o wysokiej temperaturze?
Zostaw wiadomość
Podczas modernizacji elektrycznych grzałek zanurzeniowych w istniejących pojemnikach ciśnieniowych inżynierowie zajmujący się procesami zazwyczaj muszą zastosować osłonę o mniejszej średnicy, niż początkowo planowano, ze względu na ograniczoną średnicę dyszy lub długość wprowadzenia. Można też wybrać cieńszą ściankę, aby uzyskać szybszą reakcję termiczną. Jednakże zachowanie pod ciśnieniem zmienia się z plastycznego na-podatne na pękanie, jeśli grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 zmniejszy się poniżej 1,2 mm, szczególnie w wysokich temperaturach, gdzie granica plastyczności materiału maleje. W artykule przedstawiono ilościowe maksymalne dopuszczalne wartości graniczne ciśnienia roboczego dla cienkościennych-osłon 316, przy użyciu wzoru Barlowa z obniżeniem wartości znamionowych w wysokiej-temperaturze. Umożliwi to inżynierom określenie bezpiecznych grubości ścianek systemów cieczy pod ciśnieniem, bez nadmiernego-konserwatyzmu i niepotrzebnego ryzyka.
Podstawy utrzymywania ciśnienia w przypadku cienkościennych-tulejek 316
W przypadku cylindrycznych zbiorników ciśnieniowych, gdzie grubość ścianki jest mniejsza niż-jedna dziesiąta promienia wewnętrznego--, co ma miejsce w przypadku prawie wszystkich osłon grzejników elektrycznych, naprężenie obwodowe lub obwodowe oblicza się za pomocą wzoru Barlowa: σ=P × D / (2 × t), gdzie σ to naprężenie obwodowe, P to ciśnienie wewnętrzne, D to średnica zewnętrzna, a t to grubość ścianki. NAPRĘŻENIE OBĘPOWE jest odwrotnie proporcjonalne do grubości ścianki dla danej średnicy zewnętrznej i ciśnienia wewnętrznego. Zmniejszenie grubości ścianki o połowę podwaja naprężenie materiału osłony. Dlatego maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze zmienia się bezpośrednio wraz z grubością ścianki, dla stałych wartości innych parametrów. Granica plastyczności stali nierdzewnej 316 w temperaturze pokojowej wynosi około 290 MPa dla materiału wyżarzonego i 520 MPa dla rur ciągnionych na zimno, które są zwykle stosowane do osłon grzejników. Maksymalne dopuszczalne naprężenie obwodowe dla stali 316 ciągnionej na zimno wynosi około 170 MPa, przy zastosowaniu współczynnika bezpieczeństwa 3 dla standardowej praktyki utrzymywania ciśnienia w przypadku nieopalanych zbiorników ciśnieniowych nieobjętych przepisami. Bezpieczną granicę wyznacza się rozwiązując wzór Barlowa na ciśnienie, biorąc pod uwagę średnicę zewnętrzną i grubość ścianki.
Ilościowe ograniczenia ciśnienia w zależności od grubości ścianki i temperatury
Przy podwyższonej temperaturze roboczej dopuszczalne ciśnienie znacznie się zmniejsza. Przy 200 stopniach granica plastyczności-ciągnionego na zimno stali 316 zmniejsza się do około 380 MPa, a dopuszczalne naprężenie obwodowe zmniejsza się do 125 MPa. Granica plastyczności w 300 stopniach wynosi 320 MPa przy dopuszczalnym naprężeniu 105 MPa. Przy 400 stopniach, najwyższej granicy ciągłej pracy powłoki 316, granica plastyczności spada do 280 MPa, pozwalając na naprężenie obwodowe jedynie 90 MPa. Poniżej podano maksymalne ciągłe ciśnienia wewnętrzne dla standardowej osłony 316 o średnicy zewnętrznej 10 mm. Maksymalne ciśnienie wynosi około 40 barów przy 200 stopniach i grubości ścianki 1,6 mm. W tej samej temperaturze dopuszczalne ciśnienie dla ścianki o grubości 1,2 mm zmniejsza się do 30 barów. Bezpieczne ciśnienie spada następnie do 25 barów przy grubości ścianki 1,0 mm. W przypadku produkowanych osłon minimalna grubość ścianki wynosi 0,8 mm, a ciśnienie bezpieczne wynosi zaledwie 20 bar. W przypadku systemów pracujących w temperaturze 300 stopni ta sama osłona o grubości 1,0 mm jest ograniczona do około 21 barów, a przy 400 stopniach do zaledwie 18 barów. Wartości te opierają się na rurze, która jest dokładnie okrągła, ma jednorodną grubość ścianki i jest wolna od jakichkolwiek innych naprężeń zginających lub kształtujących. W praktyce osłona z tolerancją wykonania 0,1 mm powinna mieć dodatkowy margines bezpieczeństwa wynoszący 20%.
Macierz doboru ciśnienia dla cienkościennych-osłon 316
Zalecane maksymalne ciągłe ciśnienia wewnętrzne dla płaszczy grzejnych ze stali nierdzewnej 316 przy różnych grubościach ścianek i temperaturach pracy podano w poniższej tabeli. Wartości uwzględniają współczynnik bezpieczeństwa 3:1 w oparciu o parametry materiału ciągnionego na zimno i zakładają typową średnicę zewnętrzną 10 mm. W przypadku większych rozmiarów zmniejszyć ciśnienie proporcjonalnie do stosunku wielkości.
Grubość ścianki osłony Maksymalne ciśnienie przy 100 stopniach Maksymalne ciśnienie przy 200 stopniach Maksymalne ciśnienie przy 300 stopniach Maksymalne ciśnienie przy 400 stopniach Zalecane przykłady zastosowań
0,8 mm 28 barów 24 barów 20 barów 16 barów Nisko-ciśnieniowe pętle ciepłej wody, zbiorniki atmosferyczne z pompami obiegowymi
1,0 mm 35 barów 30 barów 25 barów 20 barów Nisko-reaktory chemiczne, ciśnieniowe systemy gorącej wody
1,2 mm 42 bar 36 bar 30 bar 24 bar Średniociśnieniowe nagrzewnice procesowe, podgrzewacze pary do 200 stopni
1,4 mm 49 bar 42 bar 35 bar 28 bar Wysokociśnieniowe chemiczne podgrzewacze wtryskowe
1,6 mm 56 bar 48 bar 40 bar 32 bar Autoklawy wysokociśnieniowe, systemy wody przegrzanej
W zastosowaniach, w których ciśnienie robocze przekracza 70% podanych wartości, zaleca się, aby inżynierowie przeprowadzili testy hydrostatyczne na każdym podgrzewaczu lub wybrali rurę bez szwu o sprawdzonej jednorodności grubości ścianki. Gdy ciśnienie zbliża się do przewidywanej wartości granicznej, prawdopodobieństwo pęknięcia w zlokalizowanym cienkim przekroju jest znacznie wyższe. Grubość ścianki przekraczająca 50 barów nie jest brana wyłącznie pod uwagę, ale zmienia się ją na osłonę o mniejszej średnicy lub stop o większej wytrzymałości, taki jak Incoloy 800H.
