Яке максимальне еквівалентне напруження від комбінованого обмеження внутрішнього тиску та теплового розширення при температурі внутрішньої стінки 400 градусів запобігає храповому виходу з ладу оболонок нагрівача з нержавіючої сталі 316

Межа витримки циклічного термомеханічного навантаження

Багатоосьовий напружений стан у електричних нагрівальних трубках із оболонкою з нержавіючої сталі 316, що працюють у циклічних умовах при підвищених температурах (температура внутрішньої стінки 400 C), таких як переривчасте технологічне нагрівання або системи з щоденними циклами ввімкнення-вимкнення, зумовлено поєднанням внутрішнього кільцевого напруження тиску та осьового напруження, викликаного тепловим розширенням. Якщо еквівалентна напруга (за фоном Мізеса) перевищить межу струсу матеріалу, оболонка буде створювати пластичну деформацію під час кожного циклу нагрівання (храповий механізм), що призведе до поступового збільшення діаметра (набухання) і остаточного розриву. Межа витримки для 316 при 400 градусах приблизно в 1,5-2,0 рази перевищує межу текучості, залежно від коефіцієнта напруги. Якщо напруга не перевищує цю межу, матеріал реагуватиме пружно після кількох циклів (пружне зрушення). Швидкість храпового механізму становить 0,01-0,1 % деформації/цикл вище цієї межі, а вихід з ладу виникає після 1000-10 000 циклів. У цій статті розраховано максимальне еквівалентне напруження для роботи без храпового механізму 316 оболонок під пов’язаними навантаженнями.

Храповий механізм при багатоосьовому навантаженні

If a heater sheath is fixed at both ends (e.g. flanges or penetrations in the tank wall), thermal expansion during heating will produce axial compressive stress if the sheath is longer than required by its free length. At the same time, hoop tensile stress is induced by internal pressure, whether from sealed gas expansion or from process pressure. The axial stress may surpass yield in compression during heating and be reversed to tension during cooling. If the von Mises equivalent stress exceeds the cyclic yield strength of the material, the hoop direction is incremented by the amount of plastic strain for each complete heat cycle. This incremental strain builds up with each cycle resulting in a gradual increase in sheath diameter (ratcheting). The ratcheting rate is dependent on the axial-to-hoop stress ratio and mean stress level. For similar loads up to around 1.2× the yield strength, no ratcheting occurs (elastic shakedown). Ratcheting is observed at a low rate (10 -4 to 10 -3 per cycle) between 1.2x and 2.0x yield. Rapid ratcheting leads to failure in hundreds of cycles at >2,0-кратний вихід.

Кількісно визначені еквівалентні межі напруги для запобігання храповому механізму при 400 градусах

У наведеній нижче таблиці наведено максимальне еквівалентне напруження (за фоном Мізеса) для нержавіючої сталі 316 при 400 градусах (межа текучості близько 140 МПа) для роботи без храпового механізму протягом різних проектних термінів служби, представлене як кратне значення межі текучості та абсолютного напруження.

Еквівалентне напруження (по Мізесу) у термінах текучості (400 градусів) Абсолютне еквівалентне напруження (МПа) Швидкість храпової деформації (% цикл-1) Цикли до 2% збільшення діаметра (критерій відмови) Цикли до розриву Рекомендовано для циклічної експлуатації<1.0× (<140 MPa) <140 0 (elastic shakedown) >100,000 >200 000 Так
1,0-1,2× (140-170 МПа) 140-170<0.001 50,000-100,000 80,000-150,000 Yes (low risk)
1,2-1,5× (170-210 МПа) 170-210 0.001-0.005 10,000-50,000 15,000-80 000 Прийнятно для помірного циклу
1,5-1,8× (210-250 МПа) 210-250 0.005-0.02 2,500-10,000 4,000-20 000 Граничний, моніторинг
1,8-2,0× (250-280 МПа) 250-280 0.02-0.05 1,000-2,500 1,500-5000 Не підходить для високих циклів
2.0-2.5×(280-350 MPa) 280-350 0.05-0.10 200-1,000 300-2,000 Unacceptable >2.5× (>350 MPa) >350 >0.10 <200 <300 Not acceptable
Комбіновані навантаження: розрахунок еквівалентного напруження

Для тонкостінної -труби під внутрішнім тиском (кільцева напруга σ_θ) та осьовим обмеженням (осьова напруга σ_z) із незначною радіальною напругою еквівалентна напруга фон Мізеса дорівнює: σ_vM=sqrt(σ_θ2 + σ_z2 - σ_θσ_z). Кільцева напруга від внутрішнього тиску: σ_θ=P × D_середнє / 2t. Обмежувальне напруження осьового теплового розширення: σ_z=× E × ΔT × K, де K є фактором обмеження (0 для абсолютно необмеженого розширення, 1,0 для повністю обмежених кінців, проміжний для часткового обмеження). Для нагрівача з обома кінцями фіксовано K=1.0, а осьова напруга є стискаючою (від’ємною) для нагрівання та розтягувальною (позитивною) для охолодження. Найвищий $\\sigma_{vM}$ виникає, коли осьове напруження позитивне (охолодження) і має той самий знак, що й $\\sigma_\\theta$. σ_z=17e-6 x 180 ГПа (при 400°C, E ~ 170 ГПа) x 380=1100 МПа, якщо повністю обмежено – значно перевищує продуктивність. Для типового зовнішнього діаметру 10 мм, товщина стінки 1,5 мм при температурі внутрішньої стінки 400C (дельта T=380C від навколишнього середовища). На практиці пом'якшення обмежень шляхом згинання або гнучкості фланця знижує ефективний K до 0,3-0,7.

Приклад практичного використання та рекомендації щодо дизайну

Припустимо, оболонка 316 (10 мм OD, 1,5 мм стінка) з внутрішнім тиском 2 МПа (20 бар) при 400 градусах. Кольцева напруга σ_θ=(2x8,5) / (2x1,5)=5.7 МПа (незначна). Для осьового обмеження K=0.5, σz=0.5×1,100=550 МПа (нагрівання при стисненні, охолодження при розтягуванні). Еквівалентна напруга σ_vM=550 МПа (оскільки σ_θ невелика), що становить 3,9× текучості при 400 градусах (140 МПа)-добре в зоні швидкого храповика. Такий обігрівач вибухне і вийде з ладу через 100-200 циклів. Щоб отримати σ_vM до 1,2 x текучості (168 МПа), K потрібно знизити до 0,15, тому кріплення має бути майже вільним для розширення. Для будь-якого нагрівача, що працює при температурі вище 300 градусів, конструкція повинна мати ковзні опори, розширювальні петлі або гнучкі з’єднання для зниження коефіцієнта обмеження до значення менше 0,2.

Польові ознаки несправності храповика

Найяскравішим симптомом несправності храпового механізму є рівномірне та постійне розширення діаметра оболонки (здуття), як правило, у найгарячішій частині на довжині 50-200 мм. Може спостерігатися збільшення діаметра на 2-10% до розриву. Розрив є поздовжнім розколом (паралельно осі труби), а не по колу, оскільки деформація кільця від храпового механізму більша, ніж осьова деформація. Поверхня зламу може мати ознаки циклічної пластичної деформації (відмітини на пляжі). Для обігрівачів, що знаходяться в експлуатації, періодичне вимірювання діаметра оболонки на багатьох ділянках за допомогою штангенциркуля може виявити храповий механізм до поломки; збільшення діаметра на 1% означає, що було використано 25-50% терміну служби тріскачки.

Висновок: Управління обмеженнями для запобігання храповому механізму

Максимальна еквівалентна напруга для-безхрапової роботи нагрівачів із корпусом із нержавіючої сталі 316 за температури внутрішньої стінки 400 градусів становить приблизно 1,2× текучості (168 МПа) за циклічних умов. Натяг обруча лише через внутрішній тиск рідко буває достатньо великим, щоб викликати храповий рух. Основним навантаженням є обмеження осьового теплового розширення, яке може перевищувати 1000 МПа у випадку міцно закріпленої оболонки. Монтажна система повинна бути розроблена таким чином, щоб допускати вільне теплове розширення за допомогою ковзних ущільнювачів, компенсаторів або гнучких кронштейнів, щоб коефіцієнт обмеження К був нижчим за 0,2. Якщо повне обмеження неминуче (наприклад, у зварювальних системах під тиском), матеріал потрібно оновити до більш міцного сплаву, такого як Inconel 625, або робочу температуру потрібно знизити нижче 300 градусів. Поточна архітектура співвідносить еквівалентну напругу зі швидкістю храпового механізму та життєвим циклом, дозволяючи покупцям визначати 316 оболонок, які не будуть збільшуватися в діаметрі чи руйнуватися під час циклічного термічного-механічного навантаження.