Jakie maksymalne dopuszczalne naprężenie obręczy przy temperaturze płaszcza wewnętrznego wynoszącej 500 stopni decyduje o trwałości 100 000 godzin w wyniku pełzania rur grzewczych ze stali nierdzewnej 316

Obliczeniowa podstawa naprężeń dla żywotności w podwyższonej temperaturze

W przypadku elektrycznych rur grzejnych w osłonie ze stali nierdzewnej 316 stosowanych w zastosowaniach związanych z ogrzewaniem powietrzem lub gazem w wysokiej temperaturze z wewnętrznymi temperaturami metalu wynoszącymi 500 stopni oraz w wewnętrznej ścianie osłon zanurzonych w płynach o niższej temperaturze, maksymalne dopuszczalne naprężenie obręczy dla 100 000 godzin życia zerwania przy pełzaniu jest ważnym parametrem projektowym. W przypadku projektu w temperaturze pokojowej granica plastyczności jest podstawą dopuszczalnego naprężenia, natomiast w przypadku projektu w wysokiej temperaturze do pracy z ograniczonym pełzaniem poziomy naprężeń są takie, że element nie ulegnie pęknięciu w wyniku kawitacji pełzającej i pękania na granicy ziaren w ciągu projektowego okresu użytkowania. W przypadku stali nierdzewnej 316 w temperaturze 500 stopni średnie naprężenie powodujące pęknięcie w ciągu 100 000 godzin (około 11,4 lat ciągłej pracy) wynosi około 120-140 MPa, w zależności od specyficznej chemii cieplnej i wielkości ziarna. Maksymalne dopuszczalne naprężenie obręczy wynosi 80-95 MPa przy typowym współczynniku bezpieczeństwa 1,5 dla konstrukcji zabezpieczającej przed pękaniem przez pełzanie (metoda ASME sekcja VIII dział 2). W artykule podano ilościowe dane dotyczące naprężenia pełzającego rozrywającego dla płaszczy grzejników 316 w zakresie temperatur od 450 do 650 stopni oraz metodykę obliczania bezpiecznego ciśnienia roboczego i grubości ścianki dla pracy w podwyższonej temperaturze.

Mechanizm pękania pełzającego i kryterium Larsona-Millera

W przypadku stali nierdzewnej 316 pęknięcie pełzające następuje w wyniku kawitacji na granicy ziaren i propagacji pęknięć. Czas do zerwania zmienia się w zależności od temperatury zgodnie z zależnością Arrheniusa i naprężenia zgodnie z odwrotną zasadą potęgowania. Parametr Larsona-Millera (LMP=T × (C + log t_r), gdzie T to temperatura bezwzględna w stopniach Kelvina, t_r to czas pękania w godzinach, a C to stała materiałowa, zwykle 15-20 dla austenitycznych stali nierdzewnych) jest sposobem ekstrapolacji danych z krótkotrwałych testów pełzania na wydłużone okresy użytkowania. Przeprowadzono szeroko zakrojone testy stali 316 w celu określenia wytrzymałości na zerwanie przy pełzaniu po 100 000 godzin przy 500 stopniach w zakresie od 110 MPa (dolna granica, 95% pewności) do 150 MPa (górna granica) przy normalnej średniej wynoszącej 130 MPa. Wytrzymałość na zerwanie po 100 000 godzin wynosi 60-90 MPa w temperaturze 550 stopni. A przy 600 stopniach spada do 30-50 MPa. Przy temperaturze 650 stopni wytrzymałość na zerwanie po 100 000 godzin wynosi zaledwie 15-25 MPa. Jest to wartość niższa od naprężenia obwodowego wywołanego ciśnieniem wewnętrznym w większości konstrukcji grzejników i oznacza, że ​​316 nie może osiągnąć żywotności 100 000 godzin w temperaturze 650 stopni, niezależnie od grubości ścianki, ponieważ pęknięcie pełzające będzie nieuniknione. Praktyczny wynik jest taki, że 316 grzejników płaszczowych zbudowanych na 100 000 godzin (11,4 roku) ciągłej pracy musi być skonstruowanych w taki sposób, aby maksymalna temperatura robocza płaszcza nie była większa niż 530-550 stopni, w zależności od ciśnienia wewnętrznego.

Dopuszczalne naprężenie obręczy, określone ilościowo dla żywotności 100 000 godzin.

Tabela 4.3 pokazuje maksymalne dopuszczalne naprężenie obwodowe dla rur grzewczych ze stali nierdzewnej 316 o żywotności pełzającej wynoszącej 100 000 godzin w temperaturach od 450 do 650 stopni. Podano trzy wartości naprężenia, tj. średnie naprężenie do zerwania (50% wytrzymałości), dolne naprężenie graniczne (95% wytrzymałości, podstawa projektowania API/ASME) i sugerowane projektowe naprężenie dopuszczalne (dolna granica podzielona przez współczynnik bezpieczeństwa 1,25-1,5 w zależności od normy. W przypadku projektowania grzejnika przy określonym dopuszczalnym naprężeniu maksymalne ciśnienie wewnętrzne należy obliczyć ze wzoru na naprężenie cienkościennej obręczy: P max=2 t σ dopuszcza / D średnia, gdzie t to grubość ścianki, D to średnia średnica.

Temperatura (stopnie) Średnie naprężenie rozrywające (MPa) 100 000 godz. Dolna granica (przetrwałość 95%) Naprężenie rozrywające (MPa) Zalecane dopuszczalne naprężenie projektowe (MPa) (SF=1.4 w dolnej granicy) Maksymalne naprężenie obręczy przez 100 000 godz. trwałości (MPa) Typowy limit zastosowania 450 210-250 180-210 130-150 130 Nieograniczona obsługa 475 170-200 145-175 100-125 110 Bezpieczny dla większości grzejników
500 120-150 100-130 70-95 85 Standardowa podstawa projektu 525 85-110 70-95 50-70 60 Wymagana obniżona konstrukcja 550 60-80 45-65 30-45 40 Krótka-trwałość lub tylko-tylko niskie{4}}naprężenia 575 40-55 30-45 20-30 25 Marginalna dla ciągłej pracy 600 25-40 18-30 12-20 15 Niezalecane w przypadku 100 000 godzin 625 15-25 10-18 7-12 10 Niedopuszczalne w przypadku długiej żywotności
650 10-15 5-10 3-7 5 316 nie nadaje się; ulepszyć stop
Przeliczanie ciśnienia wewnętrznego i grubości ścianki na naprężenie dopuszczalne

Zalecane projektowe dopuszczalne naprężenie obwodowe dla konwencjonalnej osłony grzejnika 316 o średnicy zewnętrznej 10 mm i grubości ścianki 1,5 mm (średnia średnica 8,5 mm) wynosi 85 MPa przy 500 stopniach, co daje maksymalne ciśnienie wewnętrzne P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 MPa (300 barów). Jest to znacznie powyżej jakiegokolwiek możliwego ciśnienia podczas pracy grzałki zanurzeniowej, co pokazuje, że pęknięcie przy pełzaniu przy 500 stopniach nie jest czynnikiem ograniczającym dla takiej grzałki – dominować będą inne problemy, takie jak utlenianie lub zmęczenie cieplne. W przypadku osłon o dużej średnicy lub w wysokiej temperaturze pełzanie staje się ograniczające. Dla osłony o średnicy zewnętrznej 20 mm i ściance o grubości 2,0 mm (średnia średnica 18 mm) przy 550 stopniach (dopuszczalne naprężenie 40 MPa) maksymalne ciśnienie wewnętrzne wynosi zaledwie Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 barów). Może to być za mało dla grzejnika o temperaturze 550 stopni w układzie ciśnieniowym (np. przegrzana woda lub para o ciśnieniu 80-100). Projektant powinien zwiększyć grubość ścianki, obniżyć temperaturę poprzez zmniejszenie gęstości mocy lub zaktualizować materiał.

Czynniki wpływające na wytrzymałość na pękanie w wyniku pełzania

Wytrzymałość na zerwanie podana w tabeli dotyczy 316 całkowicie wyżarzonego ASTM 6-8 (30-50 m) wielkości ziaren. Trzy rzeczy zmieniają te wartości. Pierwszym z nich jest wielkość ziarna. Materiał gruboziarnisty (ASTM 3-5, 50-80 µm) wykazuje o 10-20% większą wytrzymałość na pękanie w tej samej temperaturze niż materiał drobnoziarnisty, ponieważ granice ziaren są dominującymi miejscami kawitacji pełzającej, a większe rozmiary ziaren oznaczają mniej granic na jednostkę objętości materiału, a tym samym mniejszą gęstość wnęk. Przejście na minimalną wielkość ziarna ASTM 5 może zapewnić dodatkowy margines. Drugim składnikiem jest wstępna obróbka na zimno: 10-20% obróbka na zimno zwiększa wytrzymałość początkową, ale powoduje szybkie uwolnienie naprężeń i rekrystalizację w temperaturze około 500-600 stopni, co prowadzi do gorszej długoterminowej wytrzymałości na pełzanie niż materiał całkowicie wyżarzony. Całkowicie wyżarzane jest lepsze w przypadku usług z ograniczonym pełzaniem. Trzeci punkt to rozkład węglików. Materiał z drobnymi węglikami wewnątrzkrystalicznymi (pochodzącymi z prawidłowego wyżarzania rozpuszczającego) daje wzmocnienie wydzieleniowe, co zwiększa odporność na pełzanie. Grube węgliki na granicy ziaren (uczulanie) zmniejszają wytrzymałość na pełzanie, ponieważ węgliki działają jako miejsca zarodkowania wnęk. Drobne wewnątrzkrystaliczne węgliki wewnątrz mikrostruktury wyżarzanej rozpuszczająco są niezbędne w zastosowaniach z ograniczonym pełzaniem

Praktyczne wyznaczanie temperatury płaszcza do obliczeń trwałości pełzania

Temperatura płaszcza wewnętrznego (temperatura metalu na ściance wewnętrznej, która reguluje pełzanie przekroju poprzecznego-zawierającego ciśnienie-) działającego grzejnika jest wyższa niż temperatura płaszcza zewnętrznego mierzona w płynie procesowym. Różnica temperatur na ścianie wynosi ΔT=(q × t) / k, gdzie q to przepływ ciepła (W/m2), t to grubość ściany, a k to przewodność cieplna wynosząca 316 (około 20 W/m·K przy 500 stopniach). W przypadku typowego podgrzewacza wody o temperaturze płaszcza zewnętrznego 90 stopni i grubości ścianki 1,5 mm temperatura płaszcza wewnętrznego jest tylko o 1-2 stopnie wyższa, co jest nieistotne. Jeśli temperatura płaszcza zewnętrznego wynosi 600 stopni, temperatura płaszcza wewnętrznego może wynosić 620-630 stopni ze względu na spadek temperatury na ścianie, co znacznie skróci żywotność pełzania. Strumień ciepła należy wykorzystać do określenia obliczonej temperatury ścianki wewnętrznej, jeśli wykorzystuje się dane dotyczące pękania pełzającego, a nie zarejestrowaną temperaturę zewnętrzną. Pełzanie nie jest trybem awaryjnym ograniczającym żywotność w większości zastosowań związanych z ogrzewaniem zanurzeniowym w cieczach. W przypadku ogrzewania powietrzem i gazem powyżej temperatury zewnętrznej 500 stopni należy szczególnie uwzględnić pełzanie.

Podsumowanie: Zastosowanie danych dotyczących pęknięcia pełzającego do projektowania grzejników 316

W przypadku grzejników w obudowie ze stali nierdzewnej 316 o temperaturze wewnętrznej 500 stopni maksymalne dopuszczalne naprężenie obręczy dla 100 000 godzin (11,4 lat) trwałości w wyniku pełzania wynosi 85 MPa (dopuszczalna zalecana konstrukcja). Ta wartość naprężenia pozwala zwykłym osłonom o małej średnicy (10 mm średnicy zewnętrznej, 1,5 mm ścianki) wytrzymać ciśnienie wewnętrzne do 300 barów – znacznie przekraczające normalne warunki pracy. Przy 550 stopniach dopuszczalne naprężenie zmniejsza się do 40 MPa, a przy 600 stopniach do 15 MPa, co powoduje, że trwałość pełzania ogranicza trwałość wielu konstrukcji grzejników. Inżynierowie potrzebujący osłon 316 do pracy w wysokich temperaturach muszą obliczyć temperaturę ścianki wewnętrznej na podstawie strumienia ciepła i grubości ścianki, a następnie wybrać grubość ścianki i ciśnienie robocze w taki sposób, aby powstałe naprężenie obwodowe nie przekroczyło dopuszczalnych wartości z tabeli dla pożądanej żywotności. Opisana tutaj architektura łączy naprężenie rozrywające z temperaturą, czasem i parametrami bezpieczeństwa, dzięki czemu klienci mogą skonstruować 316 grzejników w obudowie, które będą działać nieprzerwanie przez 100 000 godzin bez awarii pełzania.