Hvilken maksimalt tillatt bøylespenning ved 500 graders indre kappetemperatur styrer 100 000-timers krypbruddlevetid for 316 varmerør i rustfritt stål

Design Stress Basis for levetid ved forhøyet temperatur

For 316 elektriske varmerør med mantel av rustfritt stål som brukes i høytemperaturluft- eller gassoppvarmingsapplikasjoner med innvendige metalltemperaturer på 500 grader, og i den indre veggen av hylster nedsenket i væsker med lavere temperatur, er den maksimalt tillatte bøylespenningen for en 100 000 timers krypbruddlevetid en viktig designparameter. For en romtemperaturdesign er flytegrensen grunnlaget for den tillatte spenningen, mens for en høytemperaturdesign for krypbegrenset drift er spenningsnivåene slik at komponenten ikke vil briste ved krypkavitasjon og korngrensesprekker innenfor dens designlevetid. For 316 rustfritt stål ved 500 grader er den gjennomsnittlige spenningen som forårsaker brudd i løpet av 100 000 timer (ca. 11,4 år med kontinuerlig drift) ca. 120-140 MPa, avhengig av spesifikk varmekjemi og kornstørrelse. Maksimal tillatt bøylespenning er 80-95 MPa med vanlig sikkerhetsfaktor på 1,5 for design mot krypbrudd (ASME Seksjon VIII Divisjon 2 metode). Artikkelen gir kvantifiserte data for krypbruddsspenning for 316 varmekapper i temperaturområdet 450 grader til 650 grader og en metodikk for å beregne sikkert driftstrykk og veggtykkelse for forhøyet temperatur.

Creep Rupture Mechanism og Larson-Miller-kriteriet

For 316 rustfritt stål oppstår krypbrudd ved korngrensekavitasjon og sprekkforplantning. Tiden til brudd varierer med temperaturen i henhold til en Arrhenius-relasjon og med stress i henhold til en omvendt kraftlov. Larson-Miller-parameteren (LMP=T × (C + log t_r), der T er absolutt temperatur i Kelvin, t_r er bruddtid i timer og C er en materialkonstant vanligvis 15-20 for austenittisk rustfritt stål) er en måte å ekstrapolere kortsiktige tjenestekryptestdata for å forlenge. Omfattende testing er utført på 316 for å bestemme en 100 000 timers krypbruddstyrke ved 500 grader mellom 110 MPa (nedre grense, 95 % konfidens) og 150 MPa (øvre grense) med et normalt gjennomsnitt på 130 MPa. Bruddstyrken ved 100 000 timer er 60-90 MPa ved 550 grader. Og ved 600 grader senkes den til 30-50 MPa. Ved 650 grader er bruddstyrken på 100 000 timer bare 15-25 MPa. Dette er under bøylespenningen fra internt trykk i de fleste varmeovnsdesign og betyr at 316 ikke kan oppnå 100 000 timers levetid ved 650 grader uansett hvor tykk veggen er, fordi krypbrudd vil være uunngåelig. Det praktiske resultatet er at 316 mantelvarmere bygget for 100 000 timers (11,4 år) kontinuerlig drift må konstrueres slik at maksimal driftsmanteltemperatur ikke er større enn 530-550 grader avhengig av det indre trykket.

Tillatt bøylestress, kvantifisert for 100 000 timers levetid.

Tabell 4.3 viser maksimalt tillatt bøylespenning for 316 varmerør i rustfritt stål med en krypbruddlevetid på 100 000 timer ved temperaturer mellom 450 grader og 650 grader. Tre spenningsverdier er oppgitt, dvs. middelspenningen til brudd (50 % overlevelse), den nedre grensespenningen (95 % overlevelse, API/ASME-designgrunnlag) og den foreslåtte designtillatte spenningen (nedre grense delt på en sikkerhetsfaktor på 1,25-1,5 avhengig av kode. For utforming av varmeren skal den maksimale akseptable spenningen fra bøylen være den spesifiserte innvendige spenningen fra bøylen. formel: P maks=2 t σ tillat / D-middel, der t er veggtykkelsen, D-middel er gjennomsnittsdiameteren.

Temperatur ( grad ) Gjennomsnittlig bruddspenning (MPa) 100 000 timer Nedre grense (95 % overlevelse) Rupturspenning (MPa) Anbefalt design tillatt spenning (MPa) (SF=1.4 på nedre grense) Maksimal bøylespenning for 100 000 timers levetid (MPa) Usikret bruk {6} {}} Begrensning for mest mulig varme
500 120-150 100-130 70-95 85 Standard designgrunnlag 525 85-110 70-95 50-70 60 Nedsatt design kreves 550 60-80 45-65 30-45 40 Kort-levetid eller kun lav-stress 575 40-55 30-45 20-30 25 Marginal for kontinuerlig service 600 25-40 18-30 12-20 15 Anbefales ikke for 100 000 timer 625 15-25 10-18 7-12 10 Uakseptabelt for lang levetid
650 10-15 5-10 3-7 5 316 ikke egnet; oppgradere legering
Konvertering av indre trykk og veggtykkelse til tillatt spenning

Anbefalt design tillatt bøylespenning for en konvensjonell 316 varmekappe med 10 mm ytre diameter og 1,5 mm veggtykkelse (gjennomsnittlig diameter 8,5 mm) er 85 MPa ved 500 grader, som gir et maksimalt indre trykk på P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 bar MPa (300). Dette er godt over et mulig trykk ved bruk av el-varmer, noe som viser at krypbrudd ved 500 grader ikke er den begrensende faktoren for en slik varmeovn – andre problemer som oksidasjon eller termisk tretthet vil dominere. Ved store diametere slirer eller høy temperatur blir kryp begrenset. For en 20 mm ytre kappe med 2,0 mm vegg (gjennomsnittlig diameter 18 mm) ved 550 grader (tillatt spenning 40 MPa) er det maksimale indre trykket bare Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 bar). Dette kan være for lite for en varmeovn på 550 grader i et trykksatt system (f.eks. overopphetet vann eller damp ved 80-100 trykk). Designeren bør øke veggtykkelsen, senke temperaturen ved å redusere effekttettheten, eller oppdatere materialet.

Faktorer som påvirker krypbruddstyrken

Krypbruddstyrker i tabellen er for 316 fullstendig glødet ASTM 6-8 (30-50 m) kornstørrelse. Tre ting endrer disse verdiene. Den første er kornstørrelse. Grovkornet materiale (ASTM 3-5, 50-80 µm) viser 10-20 % sterkere krypbruddstyrke ved samme temperatur enn finkornet materiale fordi korngrensene er de dominerende krypkavitasjonsstedene og grovere kornstørrelser betyr færre grenser per volumenhet materiale og dermed en lavere tetthet av hulrom. Å gå til minimum kornstørrelse på ASTM 5 kan gi en ekstra margin. Den andre komponenten er tidligere kaldt arbeid: 10-20 % kaldt arbeid øker den opprinnelige styrken, men forårsaker rask frigjøring av spenninger og rekrystallisering rundt 500-600 grader, noe som fører til dårligere krypestyrke på lang sikt enn fullstendig glødet materiale. Fullt glødet er bedre for krypbegrenset service. Det tredje punktet er fordelingen av karbider. Materiale med fine intragranulære karbider (fra korrekt løsningsgløding) gir utfellingsforsterkning som øker krypemotstanden. Grove korngrensekarbider (sensibilisering) reduserer krypestyrken ettersom karbidene fungerer som kjernedannelsessteder for hulrom. Fine intragranulære karbider inne i en løsningsglødet mikrostruktur er nødvendig for krypbegrensede applikasjoner

Praktisk bestemmelse av kappetemperatur for beregninger av krypelevetid

Temperaturen på den indre kappen (metalltemperaturen ved den indre veggen som regulerer krypingen av trykk-tverrsnittet-) av varmeren i drift er høyere enn temperaturen på den ytre kappen målt i prosessvæsken. Temperaturforskjellen over veggen er ΔT=(q × t) / k der q er varmestrøm (W/m2), t er veggtykkelse og k er termisk ledningsevne på 316 (ca. 20 W/m·K ved 500 grader ). For en typisk varmtvannsbereder med ytre kappetemperatur 90 grader og veggtykkelse 1,5 mm, er den indre kappetemperaturen bare 1-2 grad høyere, noe som er ubetydelig. Hvis den ytre kappetemperaturen er 600 grader, kan den indre kappetemperaturen være 620-630 grader på grunn av temperaturreduksjonen over veggen, noe som vil redusere krypetiden betraktelig. Varmefluksen bør brukes til å bestemme den beregnede indre veggtemperaturen når krypbrudddata brukes i stedet for den registrerte ytre temperaturen. Kryp er ikke den livsbegrensende feilmodusen i de fleste bruksområder for nedsenking i væsker. For luft- og gassoppvarming over 500 grader utetemperatur, må kryp vurderes spesielt.

Sammendrag: Anvendelse av krypbrudddata til design av 316 varmeovner

For 316 rustfritt stål-innkapslede varmeovner med en innvendig temperatur på 500 grader, er maksimalt tillatt bøylespenning for en 100 000 timer (11,4 år) krypbruddlevetid 85 MPa (anbefalt design tillatt). Denne spenningsverdien gjør at vanlige hylser med liten diameter (10 mm ytre diameter, 1,5 mm vegg) kan takle innvendige trykk på opptil 300 bar – mye utover normale bruksforhold. Ved 550 grader reduseres tillatt spenning til 40 MPa og ved 600 grader til 15 MPa, noe som gjør krypbruddslevetiden begrensende for mange varmeovnsdesign. Ingeniører som trenger 316 hylser for høytemperaturservice, må beregne den indre veggtemperaturen fra varmefluksen og veggtykkelsen, og deretter velge veggtykkelse og driftstrykk slik at den resulterende bøylespenningen ikke overskrider de tillatte verdiene i tabellen for ønsket levetid. Arkitekturen som er beskrevet her kobler krypbruddspenning med temperatur, tid og sikkerhetsparametere slik at kundene kan konstruere 316 innkapslede varmeovner som vil fungere kontinuerlig i 100 000 timer uten krypfeil.