Як радіус кутового зварного шва на монтажному фланці титанового нагрівального елемента впливає на довговічність оболонки під час дії вібрації-, спричиненої потоком, у великому хімічному скрубері?

Основний компроміс-у конструкції кутового зварювання для скруберів-високої вібрації
Титанові нагрівальні елементи розміщені через стінку посудини великих хімічних скруберів через фланцеве з'єднання. Зона найбільшого напруження під впливом вібрації, спричиненої потоком, — це кутовий зварний шов між титановою оболонкою та монтажним фланцем. Потік газу в скрубері (5–15 м/с) викликає завихрення та турбулентність, яка розгойдує консольний пучок нагрівача. Змінна напруга вигину зосереджена на носці зварного шва. Коефіцієнт концентрації напруги (SCF) контролюється радіусом кутового зварного шва-увігнутого переходу між поверхнею зварного шва та поверхнею труби. Гострий зварний носок (короткий радіус,<0.5 mm) produces a SCF of 3–5, i.e. the local stress is 3–5 times the nominal bending stress. Large fillet radii (>2 мм) призводять до SCF 1,5-2,0. Товщина стінки впливає на жорсткість при вигині та номінальну напругу, але найважливішою змінною для довговічності є радіус зварного шва. У цьому дослідженні оцінюється вплив радіуса кутового зварного шва на довговічність у типових умовах вібрації скрубера та надаються пропозиції щодо конструкції.

Вплив на механічну цілісність концентрації напруги в нозі зварного шва
Для консольного нагрівача довжиною L із поперечною силою F (від вібрації, викликаної потоком-), номінальна напруга згину на фіксованому кінці (точці зварювання) визначається як: σ_nom=(F × L) / (π × D² × t / 4) Локальна напруга на носці зварювання визначається як σ_local=K_t × σ_nom, де K_t – коефіцієнт концентрації напружень. Для кутового зварного шва з радіусом сходження r і товщиною стінки труби t, K t ~ 1 + 2 * (t/r)^0,5. Для гострого шва (r=0.3 мм, t=1.5 мм), Kt=1 + 2 x (1,5/0,3)^0.5=1 + 2 x 2.24=5.5. Для великого зварного шва (r=2.5 мм, t=1.5 мм) Kt=1 + 2 x (1,5/2,5)0.5=1 + 2 x 0.77=2.5. Великий зварний шов зменшується локальне навантаження більш ніж на 50 %.

Втомна довговічність (цикли до руйнування) визначається рівнянням Басквіна: N f=( σ f ' σ local ) 1 b, де b ≈ -0,12 для титану. Зменшення σ local у 2,2 рази (від 5,5 до 2,5 K t ) збільшує довговічність при втомі приблизно в (2,2) (1/0,12)=(2,2) 8,3 ≈ 800 разів. Обігрівач, який помре через 1 місяць із гострим пальцем зварного шва, може прожити 800 місяців (66 років) із великим кутом.

Вплив розміру зварного шва та теплопередачі на теплові характеристики
Більший радіус зварювання забезпечує більше металу зварного шва (збільшення товщини шва), що забезпечує більший канал теплопровідності від оболонки до фланця. Це допомагає трохи краще розсіювати тепло від зони зварювання та запобігає появі окремих гарячих точок. Тепловий штраф невеликий. Однак дуже великий виток (r > 5 мм) може спричинити перешкоди сусіднім нагрівачам у пучку або зменшити ефективну довжину нагріву.

Компроміс-синтезу: взаємодія радіуса зварного шва та товщини стінки
Радіус носка кутового зварного шва (мм) Коефіцієнт концентрації напружень (K_t, для t=1.5 мм) Прогнозований термін служби втоми (порівняно з гострою базовою лінією зварного шва) Обґрунтування мінімальної товщини стінки сердечника < 0,5 мм (гострі як -зварні) 5,0 – 6.0 1× (базова лінія,<6 month life)Any (no advantage) Not appropriate for vibration service
0,5 – 1,0 мм (гладке шліфування) 3,5 – 4.5 10 – 50 × 1,5 мм Прийнятно для помірної вібрації
1,0 – 2,0 мм (з контуром) 2,5 – 3.5 200 – 1000 × 1,2 – 1,5 мм Добре підходить для більшості скрубберів
2,0 – 3,0 мм (велике скруглення) 2,0 – 2.5 2,000 – 10 000 × 1,0 – 1,2 мм Чудово, дозволяє мати тонші стінки3,0 мм (надзвичайно велике скруглення)<2.0 >50 000 × 1,0 мм Оптимально, але непрактично
Великий кутовий зварний шов (r більше або дорівнює 2 мм) забезпечує значне підвищення довговічності та дозволяє використовувати більш тонкі стінки (1,0–1,2 мм). Радіус скруглення більш важливий, ніж товщина стінки, для опору втомі.

Зварювання за межами зварювання: шліфування та обробка після-зварювання
Якщо під час зварювання неможливо досягти бажаного великого радіуса зварювального шва (через положення або доступ), еквівалентну перевагу від втоми можна отримати шляхом шліфування носка зварного шва до гладкого контуру з радіусом щонайменше 1,5 мм. Шліфування слід виконувати дрібним абразивом (120 зернистість або дрібніше), а потім полірувати, щоб видалити сліди шліфування. Обробка TIG після-зварювання (повторне-розплавлення зварного шва без присадного металу) також мінімізує концентрацію напруги, забезпечуючи плавний перехід. Такий підхід може збільшити довговічність у 5–10 разів із оригінальною геометрією зварного шва. Дробеструйне або голкове оброблення зварювального шва створює залишкову напругу стиснення, що ще більше покращує втомний термін служби.

Висновок: Великий радіус скруглення (більше або дорівнює 2 мм) дозволяє використовувати тонкі -конструкції для вібрації
Термін служби титанового нагрівального елемента у великому хімічному скрубері під дією вібрації-, спричиненої потоком, сильно залежить від радіуса кутового зварного шва на монтажному фланці. Якщо носок зварного шва гострий (r < 0,5 мм), тоді коефіцієнт концентрації напруг становить 5-6 і втомне руйнування відбувається протягом кількох місяців, незалежно від товщини стінки. Широкий радіус скруглення (r більше або дорівнює 2 мм) призводить до коефіцієнта концентрації напружень 2,0–2,5, таким чином збільшуючи довговічність у 2000–10 000 разів і дозволяючи отримати тонші стінки (1,0–1,2 мм). Затверджена специфікація — це кутовий зварний шов із мінімальним радіусом на нозі 2 мм (шліфований або оброблений) у поєднанні з товщиною стінки титанової оболонки 1,2 мм. Повідомте розрахункову амплітуду та частоту вібрації виробнику, щоб перевірити необхідну геометрію зварного шва. Товщина стінки є другорядною змінною. Розрахунковим параметром для втомної довговічності в скрубері з високою вібрацією є радіус кутового зварного шва.