برای مهندسان فرآیند که مسئول گرمکن های غوطه وری الکتریکی در راکتورها و اتوکلاوهای روکش دار هستند، نیازهای چرخه حرارتی پردازش شیمیایی دسته ای شرایط خستگی منحصر به فردی را ایجاد می کند که به ندرت در سرویس مداوم دیده می شود. یک راکتور ممکن است از 20 درجه تا 200 درجه چرخش کند و چندین بار در روز به عقب برگردد، با نرخ گرمایش که توسط نیازهای واکنش شیمیایی کنترل می شود. ضخامت دیواره غلاف فولادی ضد زنگ 316 اساساً پاسخ تنش-به این چرخه ها را تغییر می دهد. در مقابل، یک دیوار ضخیم 2.5 میلیمتری میتواند در اثر ضربههای پلاستیکی-انباشتگی تدریجی کرنش در یک جهت در هر چرخه- از بین برود، در حالی که یک دیوار نازک 1.2 میلیمتری الاستیک باقی میماند و به طور نامحدود زنده میماند. این مقاله ترکیب خاصی از فرکانس سیکل حرارتی و دلتای دما را شناسایی میکند که در آن یک غلاف 2.5 میلیمتری 316 قبل از غلاف 1.2 میلیمتری در سرویس گرمایش راکتور روکش دار از کار میافتد.
مکانیسم جغجغه پلاستیکی در غلاف های دیواره ضخیم-
جغجغه پلاستیکی زمانی اتفاق میافتد که یک قطعه تنش حرارتی چرخهای را تجربه میکند که از مقاومت تسلیم ماده در یک جهت بیشتر میشود، اما نه برعکس. برای یک غلاف 316 دیواره ضخیم- که تحت گرم شدن سریع قرار می گیرد، سطح بیرونی بیش از سطح داخلی منبسط می شود و باعث ایجاد تنش فشاری در خارج و تنش کششی در داخل می شود. اگر این تنش از تسلیم بیشتر شود، ماده به صورت پلاستیک تغییر شکل می دهد. در طول خنک شدن، سطح بیرونی با سرعت بیشتری منقبض می شود و جهت تنش معکوس می شود. اگر تنش خنک کننده از تسلیم بیشتر نشود، ماده به طور کامل به حالت اولیه خود باز نمی گردد. با هر چرخه گرمایش، یک افزایش کوچک از کرنش کششی در سطح داخلی جمع می شود. پس از هزاران چرخه، این کرنش جغجغهدار میتواند به 5 تا 10 درصد برسد و باعث نازک شدن و در نهایت ترک خوردن شود. برای یک دیوار نازک 1.2 میلی متری، گرادیان دما در سراسر دیوار بسیار کوچکتر است، بنابراین تنش حرارتی هم در گرمایش و هم در سرمایش کمتر از تسلیم باقی می ماند و در نتیجه هیچ جغجغه ای ایجاد نمی شود. پارامتر بحرانی عدد Biot{13}}نسبت مقاومت رسانای داخلی به مقاومت همرفتی خارجی است. برای دیوارهای ضخیم در محیطهای همرفتی کم{15}مانند سیالات راکتور ویسکوز، عدد Biot از آستانه جغجغهزنی فراتر میرود.
آستانه های کمی برای شکست Ratcheting
تجزیه و تحلیل المان محدود 316 غلاف در سرویس راکتور روکش دار با انتقال حرارت جابجایی طبیعی (ضریب 200 W/m²·K) آستانه های زیر را ایجاد می کند. برای یک دیوار 2.5 میلی متری، جغجغه زدن زمانی شروع می شود که دلتای دما در هر چرخه از 120 درجه و سرعت گرمایش از 5 درجه در دقیقه بیشتر شود. در دلتا 150 درجه و نرخ گرمایش 10 درجه در دقیقه، کرنش جغجغهدار در هر چرخه تقریباً 0.02٪ است. پس از 10000 چرخه، کل کرنش انباشته شده به 2% می رسد و باعث نازک شدن قابل اندازه گیری دیواره می شود. پس از 25000 چرخه، کرنش به 5٪ می رسد، با ترک قابل مشاهده است. برای یک دیوار 1.2 میلیمتری تحت شرایط یکسان، حداکثر تنش حرارتی تنها 120 مگاپاسکال-بسیار کمتر از مقاومت تسلیم 200 مگاپاسکال 316 در 150 درجه است - بنابراین هیچ گونه جغجغهای رخ نمیدهد. در دلتاهای دمای بالای 180 درجه، دیواره 1.2 میلی متری شروع به ضامن شدن می کند، اما دیواره 2.5 میلی متری در دلتای 130 درجه از کار می افتد. بنابراین، دلتای بحرانی برای وارونگی جغجغهای 120-140 درجه است. زیر این محدوده، هیچکدام جغجغه دیواری ندارند. بالاتر از این محدوده، دیواره 2.5 میلی متری جغجغه می خورد در حالی که دیواره 1.2 میلی متری الاستیک باقی می ماند تا یک دلتای بسیار بالاتر.
آستانه های جغجغه ای بحرانی برای 316 ضخامت دیوار غلاف
جدول زیر ترکیب دمای بحرانی دلتا و نرخ گرمایش را ارائه می دهد که در آن جغجغه پلاستیکی برای ضخامت های مختلف دیواره غلاف 316 در سرویس راکتور روکش دار آغاز می شود. مقادیر همرفت طبیعی را در یک سیال چسبناک (200 W/m²·K) و حداکثر دمای عملیاتی 200 درجه فرض میکنند.
| ضخامت دیوار غلاف | دلتای حداقل دما برای شروع جغجغه | حداقل نرخ گرمایش برای جغجغه در 150 درجه دلتا | کرنش جغجغه ای در هر سیکل در 150 درجه دلتا، 10 درجه در دقیقه | چرخه تا 2% تجمع کرنش | چرخه های تا شکست (5% کرنش) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.8 - 1.0 میلی متر | بالای 180 درجه | بالای 20 درجه در دقیقه | هیچ کدام زیر 180 درجه | قابل اجرا نیست | قابل اجرا نیست |
| 1.2 - 1.4 میلی متر | بالای 170 درجه | بالای 15 درجه در دقیقه | هیچ کدام زیر 170 درجه | قابل اجرا نیست | قابل اجرا نیست |
| 1.6 - 1.8 میلی متر | 150-160 درجه | 12-15 درجه در دقیقه | 0.005 – 0.010% | 20,000 – 40,000 | 40,000 – 80,000 |
| 2.0 - 2.2 میلی متر | 130-140 درجه | 8 تا 10 درجه در دقیقه | 0.015 – 0.025% | 8,000 – 13,000 | 20,000 – 30,000 |
| 2.5 - 2.8 میلی متر | 120-130 درجه | 5-8 درجه در دقیقه | 0.020 – 0.035% | 5,000 – 10,000 | 12,000 – 25,000 |
برای یک راکتور دسته ای که از 20 درجه تا 200 درجه (مثلث 180 درجه) دو بار در روز چرخه می کند، تعداد چرخه سالانه تقریباً 730 سیکل است. در این دلتا، یک غلاف 2.5 میلی متری 0.025-0.035٪ کرنش را در هر چرخه جمع می کند و بعد از 5000-8000 چرخه یا 7-11 سال به کرنش 2٪ می رسد. یک غلاف 1.2 میلی متری هیچ جغجغه ای را تجربه نمی کند و تنها در اثر مکانیسم های دیگر مانند خوردگی یا خستگی ناشی از ارتعاش از کار می افتد. برای راکتورهایی با سرعت گرمایش سریعتر{18}}مانند راکتورهایی که از گردش روغن داغ یا بخار استفاده میکنند{19}}شروع جغجغه در دلتاهای پایینتر رخ میدهد. راکتوری که از 50 درجه تا 200 درجه با سرعت 20 درجه در دقیقه گرم می شود، دلتای 150 درجه را ایجاد می کند اما یک گرادیان حرارتی بسیار بالا دارد. تحت این شرایط، غلاف 2.5 میلی متری ممکن است در کمتر از 2000 چرخه (3 سال در دو چرخه در روز) از کار بیفتد، در حالی که غلاف 1.2 میلی متر ایمن باقی می ماند.
اصلاحات طراحی برای جلوگیری از جغجغه
هنگامی که یک غلاف 316 با دیواره ضخیم- برای مهار فشار یا مجاز خوردگی در سرویس راکتور چرخهای مورد نیاز است، سه تغییر طراحی میتواند از جغجغه پلاستیکی جلوگیری کند. اولین مورد محدود کردن نرخ گرمایش است. کاهش نرخ شیب از 10 درجه در دقیقه به 3 درجه در دقیقه، گرادیان حرارتی گذرا را تقریباً 60 درصد کاهش میدهد و تنشها را حتی برای دیوار 2.5 میلیمتری زیر تسلیم نگه میدارد. اصلاح دوم این است که راکتور را به جای خنک کردن در محیط، تا حداقل دمای آماده به کار 80 درجه پیش گرم کنید. کاهش دلتا از 180 درجه به 100 درجه، بدون توجه به ضخامت دیواره، جغجغه را کاملاً از بین می برد. سومین اصلاح، تعیین ماده ای با انبساط حرارتی کمتر و استحکام تسلیم بالاتر در دما است. Incoloy 800H دارای ضریب انبساط حرارتی 14 × 10-6 / درجه در مقایسه با 17 × 10-6 / درجه برای 316 است و استحکام بالاتری را در 200 درجه حفظ می کند. این ترکیب تنش حرارتی را تقریباً 25% برای ضخامت دلتا و دیواره یکسان کاهش می دهد. برای اکثر کاربردهای راکتور دسته ای، انتخاب ضخامت دیواره 1.2-1.6 میلی متری از جغجغه زدن به طور کامل جلوگیری می کند و در عین حال استحکام مکانیکی کافی را فراهم می کند. مهندسانی که به طور خودکار دیوارهای ضخیم را برای "دوام" در سرویس چرخه ای مشخص می کنند، ممکن است به طور ناخواسته طرحی را انتخاب کنند که زودتر از موعد از جغجغه زنی با شکست مواجه شود. مشخصات صحیح مستلزم آنالیز دلتای سیکل مورد انتظار و نرخ گرمایش، سپس انتخاب نازک ترین دیواری است که الزامات فشار و خوردگی را برآورده می کند. در صورت شک، با استفاده از مدلسازی المان محدود شرایط چرخه خاص، از سازنده بخاری درخواست تجزیه و تحلیل جغجغهای کنید. تأمینکنندهای که نمیتواند این تجزیه و تحلیل را ارائه دهد ممکن است مکانیسمهای شکست منحصربهفرد غلافهای دیواره ضخیم{31} را در سرویسهای حرارتی چرخهای درک نکند.
