Ved hvilken spesifikk kombinasjon av termisk syklusfrekvens og temperaturdelta erfarer en 2,5 millimeter 316 rustfri stålkappe plastskrallefeil før en 1,2 millimeters kappe i mantelet reaktoroppvarming?

Utmattelsesforholdene som pålegges av de termiske sykluskravene til batchkjemisk prosessering er unike for prosessingeniører som designer elektriske nedsenkningsvarmere for reaktorer og autoklaver med kappe, og er sjelden erfarne i kontinuerlig drift. En reaktor kan sykle fra 20 grader til 200 grader og tilbake mange ganger om dagen, oppvarmingshastighetene begrenset av behovene til den kjemiske reaksjonen. Veggtykkelsen til 316 rustfri stålkappe endrer fundamentalt spennings-- tøyningsresponsen på disse syklusene. Men på en mot-intuitiv måte kan en tykk 2,5 mm vegg svikte ved å plastremme - den gradvise oppbyggingen av belastning i én retning med hver syklus - mens en tynn 1,2 mm vegg vil forbli elastisk og leve i det uendelige. Denne artikkelen bestemmer den nøyaktige kombinasjonen av termisk syklusfrekvens og temperaturdelta der en 2,5 mm 316 kappe vil svikte før en 1,2 mm kappe i reaktoroppvarming med mantel.

Plast skrallemekanisme i tykke-vegger
Plastisk skralle er definert som deformasjon av en komponent som utsettes for en syklisk termisk spenning som overgår materialets flytegrense i én retning, men ikke i den andre retningen. Når den varmes opp raskt, utvider den ytre overflaten av en tykk-vegg 316-hylse seg mer enn den indre overflaten, slik at den ytre overflaten er i kompresjon og den indre overflaten i spenning. Hvis denne spenningen er større enn utbyttet, deformeres materialet plastisk. Når den avkjøles, krymper den ytre overflaten raskere. Spenningsretningen snur. Hvis kjølespenningen ikke er høyere enn flyteevnen, gjenopprettes ikke materialet fullstendig til sin tidligere tilstand. Hver oppvarmingssyklus akkumulerer en beskjeden økning av strekkbelastning i den indre overflaten. Denne skrallebelastningen kan nærme seg 5-10 % etter tusenvis av sykluser som gir svekkelse og eventuelt brudd. For en veggtykkelse på 1,2 mm er temperaturgradienten gjennom veggen mye mindre, slik at den termiske spenningen forblir under yield ved både oppvarming og kjøling, og derfor er det ingen skralle. Nøkkelberegningen er Biot-tallet - forholdet mellom intern ledende motstand og ytre konvektiv motstand. Biotnummeret er over skralleterskelen for tykke vegger i lavkonveksjonsmedier som viskøse reaktorvæsker.

Kvantitative grenser for skralleskader
Disse grensene er avledet fra finite element-studie av 316 kapper i reaktordrift med mantel med naturlig konveksjonsvarmeoverføring (koeffisient på 200 W/m2·K). Ratcheting oppstår når temperaturdeltaet hver syklus er større enn 120 grader og oppvarmingshastigheten er større enn 5 grader per minutt for en 2,5 mm vegg. Ved et delta på 150 grader og en oppvarmingshastighet på 10 grader/min, er skrallebelastningen for hver syklus rundt 0,02 %. Etter 10 000 sykluser overstiger kumulativ total belastning 2 % og merkbar veggsvekkelse observeres. Etter 25 000 sykluser er tøyningen 5 % med tydelig sprekkdannelse. For en 1,2 mm vegg er den maksimale termiske spenningen bare 120 MPa under de samme forholdene, mye under 200 MPa flytegrensen på 316 ved 150 grader, derfor ingen skralle. 1,2 mm veggen begynner å skralle ved deltatemperaturer over 180 grader, men 2,5 mm veggen svikter ved et delta på 130 grader. Så det nødvendige deltaet for inversjonsratcheting er 120–140 grader. Under området har ingen av veggene skralle. Sprossene for 2,5 mm veggen over dette området og 1,2 mm veggen er elastiske til et betydelig større delta.

Kritiske skralleterskler for 316 kappeveggtykkelse
Tabellen nedenfor angir kombinasjonene av kritisk temperatur, delta og oppvarmingshastighet som plastskralling begynner med for forskjellige 316 kappeveggtykkelser i reaktordrift med mantel. Verdiene er for naturlig konveksjon i en viskøs væske (200 W/m2 K) og maksimal driftstemperatur på 200 grader.

Hylseveggtykkelse Minimum temperaturforskjell for initiering av sperringMinimum oppvarmingshastighet for sperring ved 150 grader DeltaRatchet-belastning per syklus ved 150 grader Delta, 10 grader /min. Sykluser til 2 % belastningsakkumuleringssykluser til svikt (5 % belastning)
0.8 - 1.0 mm Over 180 grader Over 20 grader /min Ingen under 180 grader Ikke relevant Ikke relevant
1,2 – 1,4 mm Over 170 grader Over 15 grader /min. Ingen under 170 grader Ingen Ingen 1,6 – 1,8 mm 150 – 160 grader 12 – 15 grader /min 0,005 – 0,010 % 20 000 – 40,{0 – 1,{0}, {0,} 2,2 mm 130 – 140 grader 8 – 10 grader /min 0,015 – 0,025 % 8 000 – 13,000 20,000 – 30,000 2.5 – 2,8 mm 120 – 130 grader 5 – 8 grader /0 – 0 % 0,002/min 0,0. 10,000 12000 – 25 000
For en batch-reaktor som går fra 20 C til 200 C (delta på 180 C) to ganger daglig. Antall sykluser per år er ca. 730 sykluser. Ved dette deltaet ville en 2,5 mm kappe generere 0,025–0,035 % tøyning per syklus, som ville øke til 2 % belastning etter 5 000–8 000 sykluser, eller 7–11 år. En 1,2 mm kappe ville ikke skralle, og ville bare gå i stykker på andre måter som korrosjon eller vibrasjonstretthet. For reaktorer med raskere oppvarmingshastigheter, f.eks. varm oljesirkulasjon eller damp, skjer sperringen ved mindre delta. Hvis du varmer opp en reaktor fra 50 grader til 200 grader ved 20 grader /min, vil du få et delta på 150 grader, men en veldig høy termisk gradient. Under disse innstillingene kan en 2,5 mm kappe svikte etter så få som 2000 sykluser (3 år med 2 sykluser hver dag), mens 1,2 mm kappe er trygt.

Designendringer for å forhindre ratcheting
Tre designjusteringer kan forhindre plastskralling i tykk-vegget 316-kappe som er nødvendig for trykkdemping eller korrosjonsgodtgjørelse i syklisk reaktordrift. Den første er å begrense oppvarmingshastigheten. Redusering av rampehastigheten fra 10C/min til 3C/min reduserer den forbigående termiske gradienten med ~60% og holder spenningen under yield selv med en 2,5 mm vegg. Den andre endringen er at i stedet for å kjøle reaktoren ned til omgivelsestemperatur, forvarmes den til en minimum standby-temperatur på 80 grader. Skralle er totalt eliminert med reduksjon av delta fra 180 grader til 100 grader uten hensyn til veggtykkelse. Den tredje endringen er å velge et materiale med redusert termisk ekspansjon og høyere flytegrense ved temperatur. For eksempel er den termiske ekspansjonskoeffisienten på 316 17 × 10 -6 / grad vs 14 × 10 -6 / grad for Incoloy 800H. Incoloy 800H beholder også bedre styrke ved 200 grader. Denne kombinasjonen reduserer den termiske spenningen på ca. 25 % for samme delta- og veggtykkelse. For de fleste bruksområder for batchreaktorer vil en veggtykkelse på 1,2-1,6 mm gi nok mekanisk styrke uten skralle. Ingeniører som blindt ber om tykke vegger for "holdbarhet" i syklisk tjeneste kan uforvarende velge et system som svikter for tidlig ved ratcheting. Den riktige tilnærmingen er å regne ut det projiserte syklusdeltaet og oppvarmingshastigheten, og deretter velge den tynneste veggen som oppfyller trykk- og korrosjonskravene. Hvis du er i tvil, spør varmeovnsprodusenten om en ratcheting-studie ved hjelp av finite element-modellering av de eksakte syklusforholdene. En leverandør som ikke leverer denne studien forstår kanskje ikke de spesielle sviktmekanismene til tykke vegger ved syklisk termisk bruk.