برای مهندسان کارخانه که مسئول گرمکنهای غوطهوری الکتریکی در سرویسهای بخار متناوب هستند-مانند محفظههای استریلیزاسیون، سیستمهای تزریق بخار و اتوکلاوها{1}}ترکیبی از تغییرات سریع دما و ضخامت دیواره نازک خطر خستگی حرارتی خاصی ایجاد میکند. برخلاف غلافهای دیوارهای ضخیم که به تدریج ترکهای سطحی ایجاد میکنند، یک غلاف 1.0 میلیمتری 316 میتواند در کسری از چرخهها از طریق شکافهای دیوار ایجاد شود زیرا فاصله انتشار ترک حداقل است. عامل مهم دما به تنهایی نیست، بلکه برهمکنش بین فرکانس سیکل، دمای پیک و نرخ گرمایش است. این مقاله ترکیب دقیق فرکانس چرخه حرارتی و دمای اوج غلاف را که در آن یک غلاف 1.0 میلیمتری 316 از طریق{11}}ترکهای دیواره در 1000 سیکل{14}} انتظار میرود عمر معمولی برای بسیاری از کاربردهای بخار متناوب ایجاد میشود، شناسایی میکند.
شروع و انتشار ترک خستگی حرارتی در غلافهای دیواره نازک-
هنگامی که غلاف 316 به سرعت از دمای محیط به دمای بخار گرم می شود (معمولاً 130-160 درجه)، سطح بیرونی بیش از سطح داخلی منبسط می شود و باعث ایجاد تنش کششی در دیواره داخلی می شود. در طول خنک شدن سریع، تنش معکوس می شود. اگر گرادیان دما از حد الاستیک ماده بیشتر شود، هر چرخه یک افزایش کرنش پلاستیک در سطح داخلی ایجاد می کند. برای یک دیوار 1.0 میلی متری، اختلاف دمای بحرانی در سراسر دیوار برای تسلیم تقریباً 150 درجه است. در سرویس بخار با ضریب انتقال حرارت 5000 تا 10000 W/m²·K، اختلاف دما در یک دیوار 1.0 میلیمتری در طول چرخه 20 درجه تا 150 درجه، فقط 5 تا 10 درجه - بسیار کمتر از آستانه تسلیم است. با این حال، در شرایط خشک{20} یا سرویس بخار فوق گرم، ضریب انتقال حرارت به طور چشمگیری کاهش مییابد و گرادیان دما افزایش مییابد. در دمای اوج غلاف بالاتر از 300 درجه در هوا یا بخار با کیفیت پایین، اختلاف دما در یک دیوار 1.0 میلیمتری میتواند به 50 تا 80 درجه برسد که همچنان زیر آستانه 150 درجه است. خطر واقعی برای دیوارهای 1.0 میلی متری ناشی از گرمایش یکنواخت نیست، بلکه از نقاط داغ موضعی ناشی از رسوبات، سایه های جریان یا چگالی وات ناهموار ناشی می شود. یک نقطه داغ موضعی با قطر 5-10 میلی متر می تواند اختلاف دمایی بین 200-300 درجه را در سراسر دیوار ایجاد کند و باعث شروع سریع ترک شود.
آستانه های بحرانی برای از طریق-ترک دیوار در غلاف 1.0 میلی متری
آزمایش خستگی حرارتی کنترلشده نمونههای غلاف 1.0 میلیمتری 316 با نقاط داغ القایی (شبیهسازی رسوبهای مقیاس) تعداد چرخههای خاصی را تا-ترکهای دیواره در دماهای اوج مختلف و فرکانسهای چرخه تعیین میکند.
| حداکثر دمای غلاف | نوسان دما در هر چرخه | چرخه های شروع کرک | چرخه تا از طریق-ترک دیوار (1.0 میلی متر) | نرخ گرمایش از طریق{0}}ترک دیوار در 1000 چرخه |
|---|---|---|---|---|
| 200 درجه | 170 درجه (30 درجه تا 200 درجه) | 8,000 – 12,000 | 10,000 – 15,000 | زیر 1000 سیکل قابل دستیابی نیست |
| 250 درجه | 220 درجه (30 درجه تا 250 درجه) | 3,000 – 5,000 | 4,000 – 7,000 | زیر 1000 سیکل قابل دستیابی نیست |
| 300 درجه | 270 درجه (30 درجه تا 300 درجه) | 1,200 – 2,000 | 1,500 – 2,500 | زیر 1000 سیکل قابل دستیابی نیست |
| 350 درجه | 320 درجه (30 درجه تا 350 درجه) | 500 – 800 | 700 – 1,200 | 50 تا 100 درجه در ثانیه |
| 400 درجه | 370 درجه (30 درجه تا 400 درجه) | 200 – 400 | 300 – 600 | 30-50 درجه در ثانیه |
| 450 درجه | 420 درجه (30 درجه تا 450 درجه) | 80 – 150 | 120 – 250 | 15 تا 30 درجه در ثانیه |
| 500 درجه | 470 درجه (30 درجه تا 500 درجه) | 30 – 60 | 50 – 100 | 8 تا 15 درجه در ثانیه |
برای یک غلاف 1.0 میلی متری 316 در سرویس بخار تمیز در 150 درجه، خستگی حرارتی بدون در نظر گرفتن فرکانس سیکل نگران کننده نیست. اختلاف دما در سراسر دیوار برای ایجاد فشار پلاستیک بسیار کم است. در دمای اوج بالای 350 درجه -معمولاً بخار فوق گرم یا خشک-شرایط خارج-خطر قابل توجه میشود. بخاریای که خشک میشود و به 450 درجه با سرعت گرمایش 20 درجه در ثانیه میرسد، ممکن است در کمتر از 200 چرخه{13}در ترکهای دیوار ایجاد شود.
پاکت عملیاتی ایمن برای غلاف 1.0 میلی متری در سرویس بخار متناوب
جدول زیر پاکت عملیاتی ایمن را برای یک غلاف 1.0 میلی متری 316 در سرویس بخار متناوب، بر اساس دستیابی به حداقل 5000 چرخه بدون-ترک دیوار-عمر 5 تا 10 ساله معمولی برای برنامه های دوچرخه سواری روزانه تعریف می کند.
| حداکثر دمای غلاف | حداکثر نرخ گرمایش ایمن (درجه بر ثانیه) | حداکثر چرخه های ایمن در روز | چرخه های مورد انتظار برای عبور از-شکاف دیوار در شرایط ایمن | اقدام توصیه شده بالاتر از حد |
|---|---|---|---|---|
| تا 200 درجه | هر | هر | بالای 10000 | 316 قابل قبول |
| 200-250 درجه | 50 درجه در ثانیه | 10 | 8,000 – 12,000 | قابل قبول |
| 250-300 درجه | 30 درجه در ثانیه | 5 | 6,000 – 10,000 | مانیتور برای مقیاس بندی |
| 300-350 درجه | 15 درجه در ثانیه | 2 | 5,000 – 8,000 | کاهش نرخ گرمایش یا ارتقاء |
| 350-400 درجه | 8 درجه در ثانیه | 1 | 4,000 – 6,000 | 316 حاشیه; Incoloy را در نظر بگیرید |
| 400-450 درجه | 4 درجه در ثانیه | 0.5 | 3,000 – 5,000 | به Incoloy 800H ارتقا دهید |
| بالای 450 درجه | توصیه نمی شود | توصیه نمی شود | زیر 3000 | از آلیاژ{0}}نیکل استفاده کنید |
برای اتوکلاو استریلیزاسیون که دو بار در ساعت (16 سیکل در روز) از محیط به بخار 140 درجه میچرخد، حداکثر دمای غلاف بسیار کمتر از 200 درجه است و خستگی حرارتی بدون در نظر گرفتن سرعت گرمایش نگرانکننده نیست. برای سوپرهیتری که بخار را تا 400 درجه با 4 سیکل در روز و سرعت گرمایش 10 درجه در ثانیه بالا می برد، غلاف 1.0 میلی متری حاشیه ای است. کاهش نرخ گرمایش به 5 درجه در ثانیه یا ارتقاء به ضخامت دیواره 1.6 میلی متر، عمر خستگی قابل قبول را بازیابی می کند.
اصلاحات طراحی برای جلوگیری از خستگی حرارتی در غلافهای دیواره نازک-
هنگامی که یک غلاف 1.0 میلی متری 316 باید در دمای اوج بالای 350 درجه در سرویس متناوب کار کند، سه تغییر طراحی می تواند از- ترک خوردن دیوار جلوگیری کند. اولین مورد کاهش نرخ گرمایش با استفاده از یک کنترلر متناسب به جای ترموستات خاموش-است. نرخ شیب دار 5 درجه در ثانیه به جای 20 درجه در ثانیه، گرادیان حرارتی را تقریباً 60 درصد کاهش می دهد، عمر خستگی را ضریب 3-5 افزایش می دهد. اصلاح دوم این است که اطمینان حاصل شود که غلاف هرگز شرایط خشک{12}} را تجربه نمی کند. یک سنسور سطح قفل شده با کنترل بخاری از عملکرد در زمانی که کیفیت بخار به زیر 95% می رسد جلوگیری می کند. سومین تغییر، تعیین سطح غلاف{16}}بازشده یا استرس{17}}است. تنشهای پسماند فشاری ناشی از بازکردن ضربهای یا بازپخت پس از{19}}سواج میتواند با مقابله با تنشهای کششی که باعث رشد ترک میشود، شروع ترک را ضریب 2 تا 3 به تأخیر بیندازد. برای اکثر کاربردهای بخار متناوب زیر حداکثر 300 درجه، یک غلاف 1.0 میلی متری 316 مقاومت در برابر خستگی حرارتی عالی را ارائه می دهد. در بالای 350 درجه، مهندسان باید ضخامت دیوار را به 1.6-2.0 میلی متر افزایش دهند یا به Incoloy 800H ارتقا دهند. تفاوت هزینه در مقایسه با خطر شکست ناگهانی-در سیستم بخار تحت فشار ناچیز است. هنگام تعیین هیترها برای سرویس بخار متناوب، همیشه حداکثر دمای غلاف مورد انتظار، نرخ گرمایش و فرکانس چرخه را ذکر کنید. سازنده ای که 1.0 میلی متر 316 را برای بخار فوق گرم 400 درجه بدون بحث در مورد محدودیت های خستگی حرارتی توصیه می کند، راهنمایی مهندسی کاملی ارائه نمی دهد. ترکخوردگی دیواره غلاف 1.0 میلیمتری با هشدار کمی رخ میدهد-هنگامی که ترک شروع میشود، در بخش کوچکی از چرخههای شروع، در دیوار باقیمانده منتشر میشود. پیشگیری از طریق مشخصات مناسب بسیار مؤثرتر از بازرسی یا پیش بینی است.
