Dlaczego osłona ze stali nierdzewnej 316 o grubości ścianki 1,8 milimetra wykazuje krótszą trwałość zmęczenia cieplnego niż ściana o grubości 1,2 milimetra w trybie cyklicznego ogrzewania powietrzem w temperaturze 250 stopni Celsjusza?

Dla inżynierów opracowujących elektryczne grzałki zanurzeniowe do piekarników przemysłowych, nagrzewnic kanałowych i komór termocyklicznych wybór grubości ścianki osłony jest kompromisem- pomiędzy wytrzymałością mechaniczną a odpornością na zmęczenie cieplne. Jak na ironię, gradient temperatury na ścianie prowadzi do większych naprężeń termicznych, w związku z czym grubsze ściany zazwyczaj szybciej ulegają awarii w przypadku cyklicznego ogrzewania powietrzem. Podczas ogrzewania lub chłodzenia grubościennej osłony w powietrzu powierzchnia zewnętrzna nagrzewa się znacznie cieplej niż powierzchnia wewnętrzna podczas ogrzewania i znacznie chłodniej podczas chłodzenia, ponieważ współczynnik przenikania ciepła w powietrzu jest niski.. 7. To zróżnicowane rozszerzanie powoduje cykliczne odkształcenie plastyczne, które powoduje pękanie zmęczeniowe. W artykule oceniono przyczyny szybszego niszczenia powłoki 316 o średnicy 1,8 mm w porównaniu z powłoką o średnicy 1,2 mm w cyklicznej pracy w temperaturze 250C. Podano dane eksperymentalne i wyniki analizy elementów skończonych.

Rozwój gradientu termicznego w cienkich i grubych powłokach w powietrzu
W przypadku ogrzewania powietrznego współczynnik przenikania ciepła pomiędzy powierzchnią osłony a otaczającym powietrzem wynosi zwykle 20–100 W/m²·K dla wymuszonej konwekcji, natomiast dla zanurzenia w wodzie wynosi 1 000–10 000 W/m²·K. Niska wartość oznacza, że ​​temperatura powierzchni osłony musi znacznie przekraczać temperaturę powietrza w masie, aby możliwe było przekazanie ciepła. Przy gęstości 10 watów W/cm 2 współczynnik przenikania ciepła w powietrzu 50 W/m 2 . K, różnica temperatur między powierzchnią osłony a powietrzem w masie wynosi 200 o C. Temperatura powierzchni osłony musi wynosić 450 stopni przy temperaturze powietrza w masie 250 stopni. Spadek temperatury na ścianie osłony oblicza się za pomocą prawa Fouriera: ΔTwall=q*t/k gdzie q to strumień ciepła (100 000 W/m2), t to grubość ścianki, a k to przewodność cieplna wynosząca 316 (15 W/mK). Dla grubości ścianki 1,2 mm ΔT_wall=100,000 × 0,0012 / 15=8 stopnia. Temperatura na wewnętrznej powierzchni wynosi 458 stopni. Dla ściany o grubości 1,8 mm: ΔTwall=100,000 × 0,0018 / 15=12 stopnia. Temperatura wewnątrz wynosi 462 stopnie. W obu przypadkach różnica temperatur na ścianie jest niewielka. Jednak podczas przejściowego nagrzewania od stanu otoczenia do stanu ustalonego powierzchnia zewnętrzna nagrzewa się szybciej niż powierzchnia wewnętrzna. Po przyłożeniu mocy w ciągu 10 sekund zewnętrzna powierzchnia osłony o grubości 1,8 mm może osiągnąć 300 stopni, a wewnętrzna powierzchnia zaledwie 50 stopni, co daje przejściowy ΔT_wall wynoszący 250 stopni. Dla osłony o grubości 1,2 mm identyczny stan przejściowy daje ΔT_wall wynoszącą ~170 stopni. Przejściowe naprężenie termiczne jest proporcjonalne do \\Delta T_{ściana}, dlatego osłona o grubości 1,8 mm ma o 47% wyższe przejściowe naprężenie cieplne.

Cykliczna akumulacja odkształceń plastycznych i uszkodzenia zmęczeniowe
Jeżeli przejściowe naprężenie termiczne przekracza granicę plastyczności 316 w temperaturze roboczej-około 200 MPa w temperaturze 300 C-materiał ugina się plastycznie. Każdy cykl nagrzewania powoduje niewielki wzrost odkształcenia plastycznego na powierzchni zewnętrznej w procesie nagrzewania i na powierzchni wewnętrznej w procesie chłodzenia. To odkształcenie plastyczne rozwija się przez tysiące cykli i ostatecznie powoduje pojawienie się pęknięć zmęczeniowych. Nisko-cyklowe zmęczenie cieplne reguluje wzór Coffina-Mansona ( ) N f=Δε p C 1 (1) gdzie N f to liczba cykli do zniszczenia, Δε p to zakres odkształceń plastycznych na cykl, a C to stałe materiałowe. Niewielka zmiana odkształcenia plastycznego drastycznie zmniejsza liczbę cykli aż do zniszczenia. Analiza metodą elementów skończonych powłok 316 w cyklicznym ogrzewaniu powietrzem od 20 do 250 stopni w temperaturze objętościowej przy 10 W/cm2 przewiduje następujące zakresy odkształceń plastycznych. Dla grubości ścianki 1,2 mm Δε_p=0.0012 (0,12%) i oczekiwane cykle życia wynoszą około 25000. Dla grubości ścianki 1,8 mm Δε_p=0.0028 (0,28%) i przewidywana liczba cykli do zniszczenia około 8000. Dla grubości ścianki 2,5 mm Δε_p wynosi 0,0055 (0,55%) przy około 2500 cyklach do uszkodzenia. Walidacja eksperymentalna na grzejnikach testowych zmienianych w temperaturze powietrza od 20°C do 250°C przy 10 W/cm^2 wykazała, że ​​średnie cykle do awarii wynosiły 22 000 dla 1,2 mm, 7500 dla 1,8 mm i 2200 dla 2,5 mm - co jest doskonałą zgodnością z prognozą. Pomimo 50% większej ilości materiału, osłona 1,8 mm ulega uszkodzeniu w ~1/3 cykli powłoki 1,2 mm.

Sugerowana grubość ścianki dla usługi cyklicznego ogrzewania powietrzem
W poniższej tabeli podano zalecane grubości ścianek płaszcza 316 dla elektrycznych grzałek zanurzeniowych pracujących w trybie cyklicznego ogrzewania powietrza, w zależności od maksymalnej temperatury powietrza w masie, gęstości watów i oczekiwanej liczby cykli termicznych w całym okresie użytkowania grzejnika.

Maksymalna temperatura powietrza w masie Gęstość w watach Oczekiwane cykle termiczne w całym okresie użytkowania Zalecana maks. 316 Grubość ścianki Przewidywana liczba cykli prowadzących do awarii przy zalecanej grubości Tryb awaryjny
150 stopni 8 – 12 W/cm² < 5,000 2.0 mm 12 000 Wyczerpanie cieplne po 5,000+ cyklach
150 stopni 8 – 12 W/cm² 5 000 – 15,000 1.6 mm 18 000 Margines zmęczenia cieplnego
150°C 8 – 12 W/cm² >15,000 1.2 mm 25 000 Bezpieczny na 15,000+ cykli
200 stopni 6 – 10 W/cm² < 5,000 1.6 mm 15 000 Dopuszczalne w przypadku usług nisko-cyklicznych
200 stopni 6 – 10 W/cm² 5 000 – 10,000 1.2 mm 22 000 Zalecane do średnich cykli
200°C 6 – 10 W/cm² >10,000 1.0 mm 30 000 Cienka ściana do obsługi-wysokiej liczby cykli
250 stopni 5 – 8 W/cm2 Mniej niż 2,000 1.4 mm 14 000 Niski-cykl akceptowalny 250 stopni 5 – 8 W/cm2 2,000 – 5,000 1.2 mm 22 000 Standardowe zalecenie 250 stopni 5 – 8 W/cm2 Ponad 5,000 1.0 mm 28 000 Cienka ściana wymagana dla-wysokiego cyklu 300 stopni 4 – 6 W/cm2 Mniej niż 1,000 1.2 mm 18 000 Marginalne; rozważ ulepszenie stopu do 300 stopni 4 – 6 W/cm2 Ponad 1000Niezalecane Poniżej 10 000 Użyj Incoloy 800H do usług lotniczych
W przypadku cyklicznego ogrzewania powietrzem powyżej temperatury 250°C stal nierdzewna 316 jest stopniowo marginalna, niezależnie od grubości ścianki. Wysokie przejściowe naprężenia termiczne i szybkie utlenianie znacznie skracają trwałość zmęczeniową. W takim przypadku inżynier powinien wybrać Incoloy 800H. Materiał ten ma wyższą przewodność cieplną (około 25 W/m·K przy 300 stopniach) i niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej (14 × 10⁻⁶/stopień w porównaniu do 17 × 10⁻⁶/stopień dla 316). Zmniejsza to naprężenia termiczne o około 30% przy tej samej grubości ścianki.

Zmiany w projekcie wydłużania trwałości zmęczeniowej cieplnej
Jeśli do cyklicznego ogrzewania powietrzem wymagana jest-grubość osłony ze stali 316 o grubości przekraczającej 1,6 mm ze względu na ograniczenia mechaniczne lub korozyjne, trzy zmiany konstrukcyjne mogą wydłużyć trwałość zmęczenia cieplnego. Pierwszym z nich jest spowolnienie tempa ogrzewania i chłodzenia. Grzejnik, któremu osiągnięcie pełnej temperatury zajmuje 60 sekund zamiast 10 sekund, będzie charakteryzował się znacznie niższymi przejściowymi gradientami temperatury. Szybkość narastania wynosząca 5 stopni/s daje wartości ΔT_wall ~40% niższe niż rampa wynosząca 25 stopni/s, co w przybliżeniu podwaja trwałość zmęczenia cieplnego. Druga zmiana polega na pracy przy minimalnej temperaturze w trybie gotowości, zamiast umożliwiać pełne schłodzenie do temperatury otoczenia. W przypadku grzejnika pracującego w temperaturze od 150 do 250 stopni zamiast od 20 do 250 stopni, ΔT_wall zmniejsza się o 70%, co prowadzi do 5 do 10-krotnego wzrostu trwałości zmęczeniowej. Trzecia zmiana polega na konieczności wyżarzania odprężającego-po zagniataniu. wyżarzanie łagodzi korzystne naprężenia ściskające na powierzchni zewnętrznej, ale łagodzi naprężenia resztkowe rozciągające na powierzchni wewnętrznej, co może sprzyjać tworzeniu się pęknięć. Trwałość zmęczenia cieplnego wyżarzonej osłony o średnicy 1,8 mm jest o około 20–30% większa niż w przypadku-tłoczonej osłony o średnicy 1,8 mm. Najlepszym i najprostszym sposobem osiągnięcia długiej trwałości zmęczeniowej cieplnej w większości zastosowań cyklicznego ogrzewania powietrzem jest użycie osłony 316 o grubości 1,2 mm lub cieńszej. Właściwości cieplne ściany o grubości 1,2 mm są lepsze, a jej wytrzymałość mechaniczna jest wystarczająca dla systemów powietrza o niskim ciśnieniu. Inżynierowie, którzy odruchowo żądają większych ścian ze względu na „trwałość” w systemie ogrzewania powietrznego, przypadkowo wybierają system, który szybciej się zepsuje. Aby uzyskać prawidłową specyfikację, musisz zrozumieć, że cieńsze ściany nie są mniej odporne na cykle termiczne. Składając wymagania producentom grzejników, zawsze należy podać oczekiwaną liczbę cykli termicznych i pożądaną szybkość rampy. Ekspert w dziedzinie cyklicznych nagrzewnic powietrza zaleci grubość ścianki odpowiednią dla tych czynników, a nie dla ogólnych zasad wytrzymałości mechanicznej.