Як спосіб кріплення нагрівача з титановою оболонкою (фланцевий або різьбовий ніпель) змінює розподіл напруги в холодному штифтовому з’єднанні під час термічного циклу від 20 градусів до 180 градусів?

Основний компроміс у встановленні обігрівача для високо-термічного-циклічного обслуговування
Обігрівачі з титановим корпусом часто встановлюються через стінки резервуара за допомогою або фланцевого з’єднання (прикрученого до відповідного фланця), або різьбового ніпеля (вкрученого в зварну муфту). Холодний контактний з’єднання, де провід внутрішнього опору приєднується до зовнішнього електричного проводу, зазнає найбільшого термічного навантаження під час зміни температури навколишнього середовища (20 градусів) до температури процесу (180 градусів). Спосіб кріплення оболонки впливає на те, як вона розширюється та звужується відносно нерухомої стінки резервуара, і, таким чином, безпосередньо впливає на те, як розподіляється напруга в цьому життєво важливому місці. Фланцеве кріплення забезпечує деяку радіальну та осьову податливість, але різьбовий ніпель жорстко обмежує оболонку. Товщина стінки залежить від способу монтажу: більш товста стінка покращує осьову жорсткість і передає більшу термічну напругу холодному штифтовому з’єднанню. У цьому аналізі порівнюється розподіл напруги для фланцевого та різьбового кріплення, а також надаються пропозиції щодо вибору для застосування в умовах високотемпературного циклу.

Вплив на механічну цілісність: напруга холодного контактного з’єднання
Для титанового нагрівача довжиною 500 мм осьове розширення становить ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 мм при нагріванні від 20 градусів до 180 градусів. Чохол щільно тримається в різьбовому ніпельному кріпленні на різьбі. Це обмежене розширення створює осьову напругу стиску σ_axial=E × × ΔT=105 ГПа × 8,6e-6 × 160=144 МПа. Ця напруга негайно передається холодному контактному з’єднанню, де оболонка змінює нагріту на ненагріту. Для стінки товщиною 1,0 мм це напруження є нижчим межі текучості 275 МПа, тому він демонструє пружну поведінку. Але часта їзда викликає втому в суглобах. Для стіни товщиною 1,8 мм осьове напруження становить 144 МПа (незалежно від товщини стінки для жорсткого обмеження), але жорсткість на згин у місці з’єднання вища, отже, менша здатність компенсувати незначні перекоси. Аналіз методом кінцевих елементів показує, що коефіцієнт концентрації напруг у холодному штифтовому з’єднанні збільшується з 2,5 для стінки 1,0 мм до 3,2 для стінки 1,8 мм із відповідними локалізованими піковими напругами 360 МПа та 460 МПа. Стінка товщиною 1,8 мм перевищує локальну границю текучості, що призводить до пластичної деформації кожного циклу та швидкого втомного руйнування.

Обігрівач кріпиться у фланцевому кріпленні за допомогою прокладки, але не закріплюється жорстко. Фланець дозволяє оболонці трохи прослизати через прокладку, коли вона розширюється. Сила тертя на прокладці (не повний модуль перетину) протистоїть розширенню та зменшує осьову напругу на коефіцієнт від 5–10 до 15–30 МПа. Напруга в холодному з’єднанні штифтів становить менше 50 МПа, що знаходиться в межах пружності як для стінок 1,0 мм, так і для стінок 1,8 мм. Фланцеве кріплення по суті відокремлює теплове розширення від холодного контактного з’єднання.

Вплив на теплові характеристики: втрата тепла та пошкодження прокладки
Спосіб монтажу також впливає на передачу тепла на холодному штирі. У різьбовому ніпелі контакт -з-металом забезпечує хорошу теплопровідність від оболонки до стінки бака, охолоджуючи холодне штифтове з’єднання та зберігаючи електричне ущільнення. Але таке охолодження також означає втрати тепла, що знижує ефективність системи на 2–5%. У фланцевому кріпленні прокладка (PTFE або стиснене волокно загалом) є ізолятором, зменшуючи втрати тепла до менш ніж 1%, але дозволяючи холодному штиревому з’єднанню працювати гарячіше. Для роботи при 180 градусах холодний штифт на фланцевому кріпленні може становити 120-140 градусів, потребуючи високотемпературних провідних проводів і силікону або ізоляції зі скловолокна. Товщина стінки не сильно впливає на ці перепади тепла.

Як вибрати метод кріплення: узагальнення компромісу-
Тип монтажу Товщина стінки Пікове напруження при холодному штифті (цикл від 20 градусів до 180 градусів) Рекомендоване застосування Втрата тепла Втомний ресурс (цикли до відмови)
Ніпель з різьбою 1,0 мм 360 МПа (локалізований) 5 000 – 10 000 циклів 3 – 5% Низько-циклічні застосування (< 5,000 cycles) with thin wall.
Різьбовий ніпель 1,8 мм 460 МПа (локалізований) 1000 – 2000 циклів 3 – 5% Не рекомендовано - пластична деформація за цикл
Фланцева прокладка з ПТФЕБудь-яка (1,0-1,8 мм) < 50 МПа > 100 000 циклів < 1% Бажано для застосування з високими -циклами або високими температурами.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 градусів), де PTFE руйнується.
Інженерні розширювальні петлі та гнучкі з’єднання за межами кріплення
Якщо для застосування потрібне різьбове кріплення (тобто модернізація наявних з’єднань), нагрівальна трубка містить розширювальну петлю (вигин на 180 градусів) між нагрітою секцією та холодним штифтовим з’єднанням для механічного поглинання теплового розширення та зменшення напруги на холодному штирі незалежно від товщини стінки. Крива 90 градусів радіусом 50 мм зменшує передане осьове навантаження на 70%. Крім того, між нагрівачем і електричним корпусом використовується гнучке металеве шлангове з’єднання для ізоляції холодного штиря від сил теплового розширення.

ВИСНОВОК: фланцеве кріплення є кращим для роботи з високим термічним циклом
We demonstrate that a flanged mount with a compliant gasket reduces the tension at the cold pin junction of a titanium encased heater with thermal cycling from 20$^\circ$C to 180$^\circ$C as compared to a threaded nipple. The rigid restriction in the threaded mount induces an axial compressive stress of 144 MPa, which combined with stress concentration factors of 2.5-3.2 leads to localized yielding at the cold pin for thick walls (>=1.5 мм). Стінки з різьбою 1,8 мм мають втомний ресурс лише 1000–2000 циклів. Оболонка з фланцевим кріпленням ковзає через прокладку, а пікове напруження залишається нижче 50 МПа незалежно від товщини стінки, що призводить до > 100 000 циклів. Якщо різьбове встановлення неминуче, використовуйте тонку стінку (менше або дорівнює 1,0 мм) і розширювальну петлю. Для нових інсталяцій, де потрібна висока довговічність під час нагрівання, специфікацією вибору є фланцеве кріплення з прокладкою з PTFE. Товщина стінки встановлюється на основі вимог до корозії та тиску, а не напруги, викликаної кріпленням.