איזה מתח חישוק מקסימלי מותר בטמפרטורת המעטפת הפנימית של 500 מעלות שולטת את חיי קרע הזחילה של 100,000 שעות של צינורות מחמם נירוסטה 316

בסיס מתח עיצובי לחיי שירות בטמפרטורה מוגברת

עבור 316 צינורות חימום חשמליים בעלי מעטפת נירוסטה המשמשים ביישומי חימום אוויר או גז בטמפרטורה גבוהה עם טמפרטורות מתכת פנימיות של 500 מעלות, ובדופן הפנימית של מעטפים שקועים בנוזלים בטמפרטורה נמוכה יותר, מתח החישוק המרבי המותר עבור חיי קרע זחילה של 100,000 שעות הוא פרמטר עיצובי חשוב. עבור תכנון טמפרטורת חדר, חוזק התפוקה הוא הבסיס למתח המותר ואילו עבור תכנון טמפרטורה גבוהה לפעולה מוגבלת לזחילה, רמות הלחץ הן כאלה שהרכיב לא יקרע על ידי זחילה ופיצוח גבול התבואה במהלך חיי התכנון שלו. עבור נירוסטה 316 ב-500 מעלות, הלחץ הממוצע לגרום לקרע תוך 100,000 שעות (כ-11.4 שנים של פעולה רציפה) הוא כ-120-140 MPa, תלוי בכימיה הספציפית של החום ובגודל הגרגירים. מתח החישוק המרבי המותר הוא 80-95 MPa עם מקדם בטיחות רגיל של 1.5 לתכנון נגד קרע זחילה (שיטת ASME Section VIII Division 2). המאמר נותן נתונים כימתים של מתח פריצת זחילה עבור 316 מעטפות חימום בטווח הטמפרטורות 450 מעלות עד 650 מעלות ומתודולוגיה לחישוב לחץ תפעול בטוח ועובי דופן עבור שירות בטמפרטורה גבוהה.

מנגנון קרע זחילה וקריטריון לארסון-מילר

עבור 316 נירוסטה קרע זחילה מתרחשת על ידי cavitation גבול התבואה והתפשטות סדק. זמן הקרע משתנה עם הטמפרטורה לפי יחס Arrhenius ועם מתח לפי חוק כוח הפוך. הפרמטר של Larson-Miller (LMP=T × (C + log t_r), שבו T הוא הטמפרטורה המוחלטת בקלווין, t_r הוא זמן הקרע בשעות ו-C הוא קבוע חומר בדרך כלל 15-20 עבור פלדות אל-חלד אוסטניטיות) הוא דרך להרחיב נתוני בדיקות זחילת שירות קצרות טווח כדי להרחיב. בדיקות מקיפות בוצעו על 316 כדי לקבוע חוזק קרע זחילה של 100,000 שעות ב-500 מעלות בין 110 MPa (גבול תחתון, 95% ביטחון) ל-150 MPa (גבול עליון) עם ממוצע נורמלי של 130 MPa. חוזק הקרע ב-100,000 שעות הוא 60-90 MPa ב-550 מעלות. וב-600 מעלות הוא מוריד ל-30-50 MPa. ב-650 מעלות חוזק הקרע של 100,000 שעות הוא רק 15-25 MPa. זה מתחת ללחץ החישוק מהלחץ הפנימי ברוב עיצובי המחמם, ופירוש הדבר ש-316 לא יכול להגיע ל-100,000 שעות חיים ב-650 מעלות, לא משנה כמה עבה הקיר, מכיוון שלא ניתן יהיה להימנע מקרע זחילה. התוצאה המעשית היא ש-316 תנורי חימום מצופים שנבנו עבור שירות רציף של 100,000 שעות (11.4 שנים) חייבים להיות בנויים כך שטמפרטורת מעטפת ההפעלה המקסימלית לא תהיה גדולה מ-530-550 מעלות בהתאם ללחץ הפנימי.

מתח חישוק מותר, מכומת למשך 100,000 שעות חיים.

טבלה 4.3 מציגה את מתח החישוק המרבי המותר עבור צינורות מחמם נירוסטה 316 עם חיי קרע זחילה של 100,000 שעות בטמפרטורות שבין 450 מעלות ל-650 מעלות. מסופקים שלושה ערכי מתח, כלומר המתח הממוצע לקרע (50% הישרדות), המתח התחתון (95% הישרדות, בסיס תכנון API/ASME), והמתח המותר בתכנון (גבול תחתון חלקי מקדם בטיחות של 1.25-1.5 בהתאם לקוד. לתכנון של המחמם, יש לחשב את הלחץ הפנימי המקובל מהחישוק המקסימלי המקובל בלחץ הקיר המתאים. נוסחה: P max=2 t σ allow / D mean, כאשר t הוא עובי הדופן, D mean הוא הקוטר הממוצע.

טמפרטורה (מעלה) מתח קרע ממוצע (MPa) 100,000 שעות גבול תחתון (95% הישרדות) מתח קרע (MPa) מתח קרע (MPa) מומלץ עיצוב מותר מתח (MPa) (SF=1.4 על גבול תחתון) מתח חישוק מקסימלי למשך 100,000 שעות חיים (MPa) שירות אופייני {6}{}} הגבלת חום {6} {}}
500 120-150 100-130 70-95 85 בסיס עיצוב סטנדרטי 525 85-110 70-95 50-70 60 נדרש עיצוב מופחת 550 60-80 45-65 30-45 40 חיים קצרים- או מתח נמוך- בלבד 575 40-55 30-45 20-30 25 שולי לשירות מתמשך 600 25-40 18-30 12-20 15 לא מומלץ ל-100,000 שעות 625 15-25 10-18 7-12 10 לא מקובל לחיים ארוכים
650 10-15 5-10 3-7 5 316 לא מתאים; שדרוג סגסוגת
המרת לחץ פנימי ועובי דופן ללחץ מותר

מתח החישוק המותר בתכנון המומלץ עבור מעטפת חימום קונבנציונלית 316 בקוטר חיצוני של 10 מ"מ ועובי דופן של 1.5 מ"מ (קוטר ממוצע 8.5 מ"מ) הוא 85 MPa ב-500 מעלות, מה שנותן לחץ פנימי מרבי של P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 בר MPa (300). זה הרבה מעל כל לחץ אפשרי בשירות תנור טבילה, מה שמוכיח שקרע זחילה ב-500 מעלות אינו הגורם המגביל עבור דוד כזה - בעיות אחרות כמו חמצון או עייפות תרמית ישלטו. במעטפות בקוטר גדול או בטמפרטורה גבוהה הזחילה הופכת למגבילה. עבור נדן OD 20 מ"מ עם דופן 2.0 מ"מ (קוטר ממוצע 18 מ"מ) ב-550 מעלות (מתח מותר 40 MPa) הלחץ הפנימי המרבי הוא רק Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 בר). זה עשוי להיות מעט מדי עבור תנור חימום ב-550 מעלות במערכת בלחץ (למשל מים מחוממים או קיטור בלחץ של 80-100). על המעצב להגדיל את עובי הדופן, להוריד את הטמפרטורה על ידי הפחתת צפיפות ההספק, או לעדכן את החומר.

גורמים המשפיעים על חוזק קרע זחילה

חוזק קרע הזחילה בטבלה הוא עבור 316 חישול מלא ASTM 6-8 (30-50 מ') גודל גרגר. שלושה דברים משנים את הערכים האלה. הראשון הוא גודל גרגר. חומר גרגירי גס (ASTM 3-5, 50-80 מיקרומטר) מפגין חוזק קרע זחילה חזק יותר ב-10-20% באותה טמפרטורה מאשר חומר גרגירי עדין מכיוון שגבולות הגרגרים הם אתרי זחילה הדומיננטיים וגדלי גרגרים גסים יותר פירושם פחות גבולות ליחידת נפח חומר ומכאן צפיפות חלל נמוכה יותר. מעבר לגודל גרגר מינימלי של ASTM 5 יכול לספק מרווח נוסף. המרכיב השני הוא עבודה קרה קודמת: 10-20% עבודה קרה מגבירה את החוזק הראשוני אך גורמת לשחרור מתח והתגבשות מהירה בסביבות 500-600 מעלות, מה שמוביל לחוזק זחילה ירוד יותר לטווח ארוך מאשר חומר חישול מלא. חישול מלא עדיף לשירות מוגבל בזחילה. הנקודה השלישית היא התפלגות הקרבידים. חומר עם קרבידים תוך גרגיריים עדינים (מחישול תמיסה נכון) נותן חיזוק משקעים אשר מגביר את עמידות הזחילה. קרבידים גסים בגבול גרגר (רגישות) מפחיתים את חוזק הזחילה כאשר הקרבידים פועלים כמיקומי גרעין לחללים. קרבידים תוך-גרגיריים עדינים בתוך מיקרו-מבנה חישול בתמיסה נחוצים ליישומים מוגבלי זחילה

קביעה מעשית של טמפרטורת הנדן עבור חישובי חיי זחילה

הטמפרטורה של המעטפת הפנימית (טמפרטורת המתכת בדופן הפנימית המווסתת את זחילת החתך-המכיל את הלחץ) של המחמם בשירות גבוהה יותר מהטמפרטורה של המעטפת החיצונית הנמדדת בנוזל התהליך. הפרש הטמפרטורה על פני הקיר הוא ΔT=(q × t) / k כאשר q הוא זרימת חום (W/m2), t הוא עובי הקיר ו-k הוא מוליכות תרמית של 316 (כ-20 W/m·K ב-500 מעלות ). עבור מחמם מים טיפוסי עם טמפרטורת המעיל החיצוני של 90 מעלות ועובי הדופן 1.5 מ"מ, טמפרטורת המעיל הפנימי גבוהה רק ב-1-2 מעלות וזה זניח. אם טמפרטורת המעטפת החיצונית היא 600 מעלות, טמפרטורת המעטפת הפנימית עשויה להיות 620-630 מעלות בגלל ירידת הטמפרטורה על פני הקיר, מה שתקטין מאוד את חיי הזחילה. יש להשתמש בשטף החום כדי לקבוע את טמפרטורת הקיר הפנימי המחושבת כאשר נעשה שימוש בנתוני קרע זחילה ולא בטמפרטורה החיצונית המתועדת. זחילה אינו מצב הכשל המגביל את החיים ברוב יישומי חימום הטבילה בנוזלים. לחימום אוויר וגז מעל 500 מעלות טמפרטורת חוץ, יש לשקול במיוחד זחילה.

תקציר: יישום נתוני קרע זחילה לתכנון של 316 מחממים

עבור תנורי חימום עטופים מנירוסטה 316 עם טמפרטורה פנימית של 500 מעלות, מתח החישוק המרבי המותר במשך 100,000 שעות (11.4 שנים) חיי קרע זחילה הוא 85 MPa (מותר עיצוב מומלץ). ערך מתח זה מאפשר לנדן רגיל בקוטר קטן (10 מ"מ OD, 1.5 מ"מ קיר) להתמודד עם לחצים פנימיים של עד 300 בר - הרבה מעבר לתנאי שירות רגילים. ב-550 מעלות המתח המותר מופחת ל-40 MPa וב-600 מעלות ל-15 MPa, מה שהופך את חיי קרע הזחילה למגבלת עבור תכנוני חימום רבים. מהנדסים הזקוקים ל-316 מעטפות לשירות בטמפרטורה גבוהה חייבים לחשב את טמפרטורת הדופן הפנימית משטף החום ועובי הדופן, ולאחר מכן לבחור את עובי הדופן ולחץ ההפעלה כך שמתח החישוק המתקבל לא יעלה על הערכים המותרים בטבלה למשך חיי השירות הרצויים. הארכיטקטורה המתוארת כאן מקשרת בין מתח פריצת זחילה לפרמטרים של טמפרטורה, זמן ובטיחות, כך שלקוחות יכולים לבנות 316 תנורי חימום עטופים שיפעלו ברציפות במשך 100,000 שעות ללא כשל בזחילה.