Koje maksimalno dopušteno naprezanje obruča pri temperaturi unutarnjeg omotača od 500 stupnjeva upravlja životnim vijekom cijevi grijača od puzanja od 316 nehrđajućeg čelika od 100 000 sati

Osnova proračunskog naprezanja za vijek trajanja na povišenoj temperaturi

Za električne grijaće cijevi obložene nehrđajućim čelikom 316 koje se koriste u visokotemperaturnim aplikacijama za grijanje zraka ili plina s unutarnjim temperaturama metala od 500 stupnjeva, i u unutarnjoj stijenci plašta uronjenih u tekućine niže temperature, maksimalno dopušteno naprezanje u obliku obruča za 100 000 sati vijeka puzajućeg pucanja važan je parametar dizajna. Za konstrukciju pri sobnoj temperaturi, granica razvlačenja je osnova za dopušteno naprezanje, dok su za visokotemperaturnu konstrukciju za rad s ograničenim puzanjem razine naprezanja takve da komponenta neće puknuti zbog kavitacije puzanja i pucanja granica zrna tijekom projektiranog životnog vijeka. Za nehrđajući čelik 316 na 500 stupnjeva, prosječno naprezanje koje uzrokuje pucanje u 100 000 sati (oko 11,4 godina kontinuiranog rada) je oko 120-140 MPa, ovisno o specifičnoj toplinskoj kemiji i veličini zrna. Maksimalno dopušteno naprezanje obruča je 80-95 MPa s uobičajenim sigurnosnim faktorom od 1,5 za projektiranje protiv pucanja puzanjem (ASME odjeljak VIII odjeljak 2 metoda). U članku se daju kvantificirani podaci o naprezanju puzanja od loma za 316 plašta grijača u temperaturnom rasponu od 450 do 650 stupnjeva i metodologija za izračunavanje sigurnog radnog tlaka i debljine stijenke za rad na povišenim temperaturama.

Mehanizam puknuća zbog puzanja i Larson-Millerov kriterij

Za nehrđajući čelik 316 do pucanja puzanja dolazi zbog kavitacije granica zrna i širenja pukotine. Vrijeme do pucanja varira s temperaturom u skladu s Arrheniusovom relacijom i s naprezanjem u skladu s inverznim zakonom. Larson-Millerov parametar (LMP=T × (C + log t_r), gdje je T apsolutna temperatura u Kelvinima, t_r je vrijeme pucanja u satima, a C je konstanta materijala obično 15-20 za austenitne nehrđajuće čelike) način je ekstrapolacije podataka o kratkoročnom ispitivanju puzanja na produljeni životni vijek. Opsežna ispitivanja su provedena na 316 kako bi se odredila lomna čvrstoća puzanja od 100 000 sati na 500 stupnjeva između 110 MPa (donja granica, 95 % pouzdanost) i 150 MPa (gornja granica) s normalnim prosjekom od 130 MPa. Čvrstoća na kidanje pri 100.000 sati je 60-90 MPa na 550 stupnjeva. A na 600 stupnjeva spušta se na 30-50 MPa. Na 650 stupnjeva čvrstoća na kidanje od 100 000 sati je samo 15-25 MPa. To je ispod obručnog naprezanja od unutarnjeg tlaka u većini dizajna grijača i znači da 316 ne može postići životni vijek od 100 000 sati na 650 stupnjeva bez obzira koliko je debljina stijenke, jer će puknuće biti neizbježno. Praktični rezultat je da 316 plaštiranih grijača izgrađenih za 100 000 sati (11,4 godine) neprekidnog rada moraju biti konstruirani tako da maksimalna radna temperatura plašta nije veća od 530-550 stupnjeva, ovisno o unutarnjem tlaku.

Dopušteno opterećenje obruča, kvantificirano za životni vijek od 100 000 sati.

Tablica 4.3 prikazuje maksimalno dopušteno naprezanje u obliku obruča za cijevi grijača od nehrđajućeg čelika 316 s vijekom trajanja od puzanja od 100 000 sati na temperaturama između 450 stupnjeva i 650 stupnjeva. Isporučuju se tri vrijednosti naprezanja, tj. srednje naprezanje do puknuća (50% preživljavanje), donje granično naprezanje (95% preživljavanje, API/ASME projektna osnova) i predloženo projektirano dopušteno naprezanje (donja granica podijeljena sa sigurnosnim faktorom od 1,25-1,5 ovisno o kodu. Za dizajn grijača koji koristi navedeno prihvatljivo naprezanje, maksimalni unutarnji tlak treba izračunati iz tankih stijenki formula obručnog naprezanja: P max=2 t σ dopušteno / D srednja vrijednost, gdje je t debljina stijenke, D srednja vrijednost je srednji promjer.

Temperatura (stupnjevi) Srednje naprezanje na kidanje (MPa) 100 000 h Donja granica (95% preživljavanje) Naprezanje na kidanje (MPa) Preporučeno projektno dopušteno naprezanje (MPa) (SF=1.4 na donjoj granici) Maksimalno naprezanje obruča za životni vijek od 100 000 sati (MPa) Tipično ograničenje primjene 450 210-250 180-210 130-150 130 Neograničena usluga 475 170-200 145-175 100-125 110 Sigurno za većinu grijača
500 120-150 100-130 70-95 85 Standardna konstrukcijska osnova 525 85-110 70-95 50-70 60 Potreban smanjeni dizajn 550 60-80 45-65 30-45 40 Kratak-život ili nisko{4}}samo naprezanje 575 40-55 30-45 20-30 25 Marginalno za kontinuiranu uslugu 600 25-40 18-30 12-20 15 Ne preporučuje se za 100.000 sati 625 15-25 10-18 7-12 10 Neprihvatljivo za dug život
650 10-15 5-10 3-7 5 316 nije prikladno; nadogradnja legure
Preračunavanje unutarnjeg tlaka i debljine stijenke u dopušteno naprezanje

Preporučeno projektirano dopušteno naprezanje obruča za konvencionalni plašt grijača 316 vanjskog promjera 10 mm i debljine stijenke 1,5 mm (srednji promjer 8,5 mm) je 85 MPa na 500 stupnjeva, što daje maksimalni unutarnji tlak od P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 MPa (300 bara). To je znatno iznad bilo kakvog mogućeg tlaka u radu uronjenog grijača, što pokazuje da pucanje od puzanja na 500 stupnjeva nije ograničavajući faktor za takav grijač – dominirat će drugi problemi poput oksidacije ili toplinskog zamora. Kod plašta velikog promjera ili visoke temperature puzanje postaje ograničavajuće. Za omotač od 20 mm OD sa stijenkom od 2,0 mm (srednji promjer 18 mm) na 550 stupnjeva (dopušteno naprezanje 40 MPa) maksimalni unutarnji tlak je samo Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 bara). To može biti premalo za grijač na 550 stupnjeva u sustavu pod tlakom (npr. pregrijana voda ili para na tlaku od 80-100). Projektant bi trebao povećati debljinu stijenke, smanjiti temperaturu smanjenjem gustoće snage ili ažurirati materijal.

Čimbenici koji utječu na čvrstoću puzanja

Otpornost na puzanje u tablici odnosi se na 316 potpuno žarenu veličinu zrna ASTM 6-8 (30-50 m). Tri stvari mijenjaju te vrijednosti. Prvi je veličina zrna. Krupnozrnati materijal (ASTM 3-5, 50-80 µm) pokazuje 10-20 % jaču otpornost na pucanje pri puzanju na istoj temperaturi od sitnozrnatog materijala jer su granice zrna dominantna mjesta kavitacije puzanja, a grublje veličine zrna znače manje granica po jedinici volumena materijala, a time i manju gustoću šupljina. Prelazak na minimalnu veličinu zrna od ASTM 5 može osigurati dodatnu maržu. Druga komponenta je prethodna hladna obrada: 10-20 % hladna obrada povećava početnu čvrstoću, ali uzrokuje brzo otpuštanje naprezanja i rekristalizaciju oko 500-600 stupnjeva, što dovodi do niže dugotrajne otpornosti na puzanje od potpuno žarenog materijala. Potpuno žaren je bolji za rad s ograničenim puzanjem. Treća točka je distribucija karbida. Materijal s finim intragranularnim karbidima (od pravilnog žarenja u otopini) daje taložno ojačanje koje povećava otpornost na puzanje. Grubi karbidi s granicama zrna (senzibilizacija) smanjuju čvrstoću puzanja budući da karbidi djeluju kao mjesta nukleacije za šupljine. Fini intragranularni karbidi unutar mikrostrukture žarene otopinom potrebni su za primjene s ograničenim puzanjem

Praktično određivanje temperature plašta za izračun otpornosti na puzanje

Temperatura unutarnjeg omotača (temperatura metala na unutarnjoj stijenci koja regulira puzanje presjeka-koji sadrži-tlak) grijača u radu viša je od temperature vanjskog omotača izmjerene u procesnoj tekućini. Temperaturna razlika preko zida je ΔT=(q × t) / k gdje je q protok topline (W/m2), t je debljina zida i k je toplinska vodljivost od 316 (oko 20 W/m·K na 500 stupnjeva). Za tipični grijač vode s temperaturom vanjskog plašta od 90 stupnjeva i debljinom stijenke od 1,5 mm, temperatura unutarnjeg plašta je samo 1-2 stupnja viša, što je zanemarivo. Ako je temperatura vanjskog omotača 600 stupnjeva, temperatura unutarnjeg omotača može biti 620-630 stupnjeva zbog pada temperature na zidu, što će uvelike smanjiti vijek puzanja. Toplinski tok trebao bi se koristiti za određivanje izračunate temperature unutarnje stijenke kada se koriste podaci o pucanju od puzanja, a ne zabilježena vanjska temperatura. Puzanje nije način kvara koji ograničava život u većini primjena zagrijavanja uranjanjem u tekućine. Za grijanje zrakom i plinom iznad vanjske temperature od 500 stupnjeva, potrebno je posebno uzeti u obzir puzanje.

Sažetak: Primjena podataka o lomu puzanja u dizajnu 316 grijača

Za grijače s kućištem od nehrđajućeg čelika 316 s unutarnjom temperaturom od 500 stupnjeva , maksimalno dopušteno naprezanje obruča za 100 000 sati (11,4 godina) vijek trajanja od puzanja je 85 MPa (dopuštena preporučena konstrukcija). Ova vrijednost naprezanja dopušta uobičajenim plaštima malog promjera (10 mm OD, 1,5 mm stjenke) da se nose s unutarnjim pritiscima do 300 bara – mnogo iznad uobičajenih radnih uvjeta. Na 550 stupnjeva dopušteno naprezanje smanjeno je na 40 MPa, a na 600 stupnjeva na 15 MPa, čineći životni vijek od puknuća ograničenim za mnoge dizajne grijača. Inženjeri koji trebaju 316 omotača za rad na visokim temperaturama moraju izračunati unutarnju temperaturu stijenke iz toplinskog toka i debljine stijenke, zatim odabrati debljinu stijenke i radni tlak tako da rezultirajuće naprezanje obruča ne prelazi dopuštene vrijednosti u tablici za željeni vijek trajanja. Ovdje opisana arhitektura povezuje naprezanje loma uslijed puzanja s temperaturom, vremenom i sigurnosnim parametrima tako da kupci mogu konstruirati 316 zatvorenih grijača koji će raditi kontinuirano 100.000 sati bez kvara zbog puzanja.