Коли титанова нагрівальна трубка використовується у випарнику для охолодження розсолу (зануреного в 20% розсіл CaCl₂ при -циклах теплового насоса від 20 градусів до 40 градусів), як товщина стінки впливає на ризик низькотемпературної крихкості та руйнування?
Залишити повідомлення
Основний компроміс-у дизайні титанового нагрівача для експлуатації розсолу при низькій температурі
Випарники для охолодження розсолу використовують 20% розсіл хлориду кальцію (CaCl2) як вторинний холодоагент, що працює при -20 градусах (випаровування) і 40 градусах (конденсація/розморожування). Іноді для розморожування або підтримки температури встановлюють титанові нагрівальні трубки. Титан має температуру переходу від пластичного до крихкого нижче нуля. Титан залишається пластичним до -250 градусів, на відміну від вуглецевої сталі, однак надрізи, залишковий натяг або водень можуть спричинити крихке руйнування нижче -10 градусів. Товщина стінки впливає на стан напруги на кінчику надрізу та швидкість охолодження під час термоциклування. Аналіз оцінює ризик низькотемпературного окрихчення в титанових нагрівальних трубах, які змінюються від -20 градусів до 40 градусів, і розраховує товщину стінки, яка мінімізує цей ризик.
Вплив на механічну цілісність: перехід від пластичного до крихкого титану
Титан сорту 2 має гексагональну щільно упаковану (HCP) кристалічну структуру. HCP метали, на відміну від BCC сталей, не мають різкої температури переходу від-до-крихкості. Титан показує енергію удару Шарпі понад 50 Дж до -50 градусів. Однак в’язкість до руйнування падає при мінусовій температурі, коли є гостра виїмка (наприклад, носок зварного шва, подряпина або виїмка). В'язкість руйнування K_IC титану класу 2 при 20 градусах становить близько 100 МПа√м, а при -20 градусах вона знижується до 70–80 МПа√м. Якщо у вас є надріз у поєднанні із залишковою напругою розтягування (від згинання чи зварювання), ви можете отримати крихкий злам. Все ще досить жорсткий.
Товщина стінки впливає на тривісність натягу на вершині виїмки. Чим вища товщина, тим сильніше обмеження, тобто тривісність напруженого стану (поблизу плоскої деформації) більша, що призводить до зниження видимої в'язкості руйнування. Було помічено, що стінка товщиною 2,0 мм має вищі обмеження, ніж стінка товщиною 1,0 мм, і, отже, більш схильна до крихкого руйнування при низьких температурах. Розрахунки, засновані на механіці руйнування, показують, що критичний розмір дефекту для крихкого руйнування при -20 градусах для стінки 1,0 мм становить близько 2 мм. Для стінки 2,0 мм це 1,5 мм. Більш товста стіна більш сприйнятлива до дрібних дефектів.
Вплив на теплові характеристики: швидкість охолодження та термічний стрес
Під час переходу від 40 градусів до -20 градусів титанова оболонка та внутрішні компоненти (MgO, резистивний дріт) стискаються з різною швидкістю, створюючи термічну напругу. Термічна напруга $\\sigma_{thermal}=E*\\alpha*\\Delta T=105 ГПа * 8,6e-6 * 60=54 МПа, значно нижче текучості. Але при холодному циклі роботи обігрівача додатковий електричний нагрів призводить до утворення градієнта температури поперек стіни. Більш товста стінка (2,0 мм) демонструє більший градієнт (ΔT_cond=2.5 градус при 2,0 Вт/см²), ніж тонша стінка (1,2 градуса). Градієнт також створює напругу вигину на внутрішній поверхні.
Компроміс-синтезу: товщина стінки та ризик руйнування-при низькій температурі
Товщина стінки (мм) В’язкість до руйнування KIC при -20 градусах (МПа√м) Критичний розмір дефекту для руйнування (мм) Залишкова напруга внаслідок вигину (МПа) Небезпека руйнування при низькій температурі
0,8 мм 80 (переважає плоска напруга) 2,5 мм 50 МПа Низький 1,0 мм 78 (змішаний режим) 2,2 мм 55 МПа Низький 1,2 мм 75 (змішаний режим) 1,9 мм 60 МПа Низький-Помірний
1,5 мм 72 (плоска деформація, що наближається) 1,6 мм 65 МПа Помірна 2,0 мм 68 (плоска деформація) 1,3 мм 75 МПа Помірна-Висока
Товстіші стінки менш міцні-на руйнування (більше обмеження) і мають менші критичні розміри дефектів, тому більш схильні до крихкого руйнування через незначні дефекти.
Інженерія за стіною: сплави та контроль дефектів
Оскільки ризик руйнування залежить від розміру дефекту та обмежень, зменшення дефектів ефективніше, ніж зміна товщини стінки. Електрополірування титанової поверхні (Ra менше або дорівнює 0,2 мкм) усуває гострі насічки та зменшує концентрацію напруги. Найбільш типові зони початку руйнування усуваються шляхом забезпечення рівного шліфування зварних швів (без підрізів). Підвищення рівня титану до 1 (менше заліза та кисню, більша пластичність) покращує міцність при низькій температурі. Клас 1 має K_IC 90–100 МПа√м при -20 градусах, отже, він в основному стійкий до крихкого руйнування навіть при товщині стінки 2,0 мм. Для експлуатації при дуже низьких температурах перевага надається класу 1.
Висновок: тонкі стінки (1,0 – 1,2 мм) сприятливі для роботи з розсолом під -нульовим значенням
Небезпека низькотемпературної крихкості та руйнування для титанової нагрівальної труби в 20% розчині CaCl2 із циклом -20 градусів і 40 градусів вища, коли товщина стінки тонша (1,0–1,2 мм), ніж товща (1,8–2,0 мм). Більш товсті стінки мають вищу тривісність напруги (обмеження), що зменшує видиму в’язкість до руйнування та зменшує критичний розмір дефекту для крихкого руйнування. При температурі -20 градусів стінка товщиною 2,0 мм може бути зламана дефектом товщиною 1,3 мм, тоді як стінка товщиною 1,0 мм може витримати дефект 2,2 мм. Рекомендована специфікація: товщина стінки з титану Grade 1 або Grade 2 1,0-1,2 мм, електрополірована поверхня та гладкі шліфовані зварні шви. Слід уникати більш товстих стінок (більше або дорівнює 1,5 мм), за винятком оновлення до титану 1 класу. Надайте виробнику мінімальну робочу температуру та очікуваний розмір дефекту (наприклад, подряпини, порізи зварних швів). Розріджувач кращий для стійкості до руйнування в охолоджувачі розсолу з мінусовими циклами.
