Як товщина стінки оболонки з нержавіючої сталі 316 впливає на напругу-, викликану тепловим розширенням на межі розділу MgO під час повторюваних циклів нагрівання від 20 до 400 градусів Цельсія?

Сполучення між оболонкою з нержавіючої сталі 316 та ізоляцією з оксиду магнію є важливою, але часто нехтованою точкою невдачі для інженерів-конструкторів, які оцінюють довгострокову-довговічність електричних занурювальних нагрівачів, що працюють при циклічному високо-температурному використанні. З кожним циклом нагрівання оболонка 316 розширюється більше, ніж MgO, оскільки коефіцієнт теплового розширення 316 (приблизно 17 x 10 -6 / градус) приблизно в 2 рази перевищує коефіцієнт теплового розширення ущільненого MgO (приблизно 9 x 10 -6 / градус). Це диференціальне розширення призводить до деформацій зсуву на межі розділу оболонки-MgO. Протягом тисячі циклів ці тиски можуть спричинити розрив зв’язку, утворення зазорів і, зрештою, перегрів резистивного дроту. Ці міжфазні напруги безпосередньо залежать від товщини стінки оболонки, оскільки більш товста стінка стримує розширення іншим чином, ніж тонка стінка. У цьому дослідженні кількісно визначено кореляцію між товщиною стінки оболонки 316 і міжфазною напругою, викликаною тепловим розширенням, щоб надати пропозиції щодо вибору для застосування з високим циклом.

Інтерфейс оболонки-MgO: Механіка диференціального теплового розширення
Коли нагрівач будується, ізоляція MgO ущільнюється на внутрішній поверхні оболонки 316 під дією сильного тиску. Результатом є щільна посадка з натягом із залишковою напругою стиску на межі розділу. Обидва матеріали розширюються під впливом тепла від нагрівача. Оболонка 316 намагається розширитися назовні в радіальному та окружному напрямках. MgO має нижчий коефіцієнт розширення і протистоїть цьому розширенню. Це призводить до зменшення межфазної напруги стиснення або при достатньо високих температурах до переходу до розтягуючої напруги та розвитку зазору. Критична температура для міжфазного поділу залежить від початкового залишкового натягу, викликаного обжиманням, і жорсткості стінки оболонки. Радіальна жорсткість збільшується разом із товщиною стінки оболонки, що означає, що вона сильніше протистоїть розширенню та підтримує контакт між поверхнями при вищих температурах. З іншого боку, тонкостінна{10}}оболонка є більш податливою та може дозволити утворення зазорів за нижчих температур. Однак, коли утворюється зазор, тонкостінний вкладиш відчуває більші локальні напруги згину через непідтримувану стінку, яка прогинається під впливом внутрішнього тиску або температурних градієнтів.

Кількісна кореляція утримання міжфазних напружень і товщини стінки
Дослідження методом кінцевих елементів зовнішньої оболонки 316 із зовнішнім діаметром 10 мм, наповненої MgO, стисненим до 3,0 г/см3, дає кількісні оцінки міжфазної напруги як функції товщини стінки та температури. Міжфазова напруга стиску після обтиснення при кімнатній температурі становить приблизно 30 МПа для стінки товщиною 1,0 мм, 45 МПа для стінки 1,5 мм і 60 МПа для стінки 2,0 мм. Більш товста оболонка утримує більше залишкового стиснення, оскільки процес обжимання застосовує більші напруги до MgO, перш ніж оболонка пластично піддається. Міжфазна напруга зменшується лінійно зі збільшенням температури внаслідок диференціального розширення. Температура роз’єднання, коли межфазна напруга дорівнює нулю, становить приблизно 280° для стінки 1,0 мм, 340° для стінки 1,5 мм і 380° для стінки 2,0 мм. Після роз’єднання оболонка товщиною 1,0 мм демонструє міжфазну напругу розтягування ~ 5 МПа, тоді як оболонка товщиною 2,0 мм залишається під тиском протягом усього циклу для нагрівача з максимальною температурою 400 градусів. Зв’язок між оболонкою та MgO втрачається, коли межа розділу стає розтягнутою. Це призводить до невеликих зазорів, які сприяють термічному опору від опорного дроту до оболонки. MgO у зоні зазору більше не є хорошим теплопровідником, і може утворитися локальна гаряча точка, яка може прискорити окислення дроту.

Циклічна втома межі розділу та деградація нагрівача
У циклічній експлуатації повторювана зміна міжфазного натягу від стиснення до розтягування або від стиснення до розриву спричиняє кумулятивне пошкодження контакту оболонки-MgO. Для стінової оболонки товщиною 1,0 мм, що працює від 20 градусів до 400 градусів, інтерфейс бачить коливання температури приблизно на 300 градусів. Кожен цикл проходить від високого стиснення при температурі навколишнього середовища до нульового навантаження при 280 градусах і до розтягнення при 400 градусах. Це циклічне змінення натягу може сприяти фреттинг-зносу на межі розділу, створюючи порошок MgO, який додатково обмежує тепловий контакт. Після 1000 циклів термічний опір на межі розділу може зрости на 20-40%, що потребує вищих температур дроту для підтримки постійної тепловіддачі. Для оболонки стіни 2,0 мм у тому ж діапазоні температур межа розділу стискається за будь-яких температур. Напруга коливається від стиснення 60 МПа при температурі навколишнього середовища до приблизно 10 МПа стиснення при 400 градусах - завжди позитивний контактний тиск. Немає ладів або розривів. Експериментальне випробування 316 обігрівачів із оболонкою, які піддалися 5000 циклам від 20 градусів до 400 градусів, демонструє, що стінові оболонки товщиною 1,0 мм мають на 35% підвищення теплового опору та 15% зниження опору ізоляції. Той самий тест на 2,0-мм настінних оболонках показав менше 5% варіації в обох параметрах.

Рекомендації щодо товщини стінки для високотемпературного застосування з високим циклом
У наведеній нижче таблиці наведено рекомендовані 316 товщин стінки оболонки для даної максимальної робочої температури та кількості прогнозованих термічних циклів. Припускає звичайну процедуру штампування та відсутність відпалу після штампування. Значення передбачають цільовий термін служби без істотних втрат теплових характеристик.

Максимальна температура оболонки Очікувані теплові цикли протягом терміну служби Рекомендована мінімальна товщина стінки 316 Стан межі поверхонь при максимальній температурі Очікуваний термічний опір Збільшення після циклічного збільшення
До 250 градусів C0,8 – 1,0 мм Будь-яка кількість залишків стиску < 5% 250 – 300 градусів< 1,000 1.0 – 1.2 mm Close to zero or mildly tensile 5 – 10% 250 – 300°C 1,000 – 5,000 1.2 – 1.5 mm Compressive with margin< 5% < 300°C < 350°C < 500 1.2 – 1.4 mm Slightly tensile on peak 10 – 15%
300 – 350 градусів 500 – 2,000 1.5 – 1,8 мм Залишається стиск < 5% 350 – 400 градусів < 500 1.6 – 2,0 мм Трохи розтягується на піку 10 – 20%
350 – 400 градусів 500 – 2,000 2.0 – 2,5 мм Залишається стиснутим<5%
>400 градусів Будь-яке число Не рекомендується з MgO Можливе утворення зазору Непередбачувано
Для застосувань, які потребують як високої максимальної температури, так і великої кількості циклів, наприклад обладнання для стерилізації або термоциклічних печей, наполегливо рекомендується вибрати оболонку 316 товщиною 2,0 мм і товщу. Нам просто потрібно прийняти теплові втрати, властиві товстій стіні, як зазначено в попередніх статтях, як ціну довгострокової цілісності поверхні. Крім того, інженери можуть запропонувати процес після-відпалу, який зменшує залишкові напруги, але також зменшує початкове міжфазне стиснення. Збереження міжфазної напруги однакове для відпаленої оболонки товщиною 1,6 мм і не-відпаленої оболонки товщиною 1,2 мм. Це залежить від того, чи програма більше зосереджена на термічній ефективності чи тривалості циклу.

Проектні підходи до зменшення міжфазної напруги в тонкостінних оболонках-
Для застосувань, які вимагають тонкостінної оболонки менше 1,2 мм з міркувань термочутливості, але включаючи термічний цикл до високих температур, є три конструктивні рішення, які можна дотримуватися, щоб зменшити міжфазне роз’єднання. Перший – додати невеликий шар мастила або пасти з високою теплопровідністю на поверхню оболонки-MgO під час складання. Наприклад, силіконові мастила, наповнені нітридом бору, зберігають податливість при температурних циклах і заповнюють будь-які проміжки, які можуть виникнути, зберігаючи тепловий контакт. Друга техніка полягає в тому, щоб запустити нагрівач при мінімальній температурі очікування замість охолодження до навколишнього середовища між циклами. Для нагрівача, який змінює температуру від 150C до 400C замість 20C до 400C, варіація міжфазного напруження зменшується приблизно на 50%. Третій підхід полягає у визначенні меншого зовнішнього діаметра оболонки з такою ж товщиною стінки. Радіальна жорсткість пропорційна четвертому ступені діаметра. Таким чином, оболонка зовнішнім діаметром 6 мм зі стінкою 1,0 мм має більшу радіальну жорсткість, ніж оболонка зовнішнім діаметром 10 мм із стінкою 1,0 мм. Розробник може зменшити діаметр, щоб отримати переваги тонкої стінки для теплової чутливості та зберегти міжфазний контакт із вищими температурами. Якщо тонкі стінки призначені для високо-температурного циклічного використання, інженери повинні запитати у виробників обігрівачів розрахунки міжфазної напруги. Аналіз є функцією коефіцієнта зменшення тиску, щільності ущільнення MgO та прогнозованого профілю температури. Якщо ви не можете отримати цей аналіз від виробника, сумнівно, що він виробляє надійний нагрівач для вимогливих циклічних застосувань.