Hvilken maksimal ekvivalent spenning fra kombinert internt trykk og termisk ekspansjonsbegrensning ved 400 graders indre veggtemperatur forhindrer skrallefeil i 316 varmekapper i rustfritt stål

Shakedown-grensen for syklisk termisk mekanisk belastning

Den multiaksiale spenningstilstanden i 316 rustfrie stålbeklædte elektriske varmerør, som opererer under sykliske forhold ved forhøyede temperaturer (400 C indre veggtemperatur), for eksempel periodisk prosessoppvarming eller systemer med daglige på-av-sykluser, skyldes kombinasjonen av indre trykkbøylespenning og termisk ekspansjonsindusert aksialspenning. Hvis den ekvivalente spenningen ( von Mises ) går over materialets shakedown-grense, vil kappen bygge opp plastisk belastning under hver oppvarmingssyklus (skralling), noe som resulterer i en gradvis økning i diameter (hevelse) og endelig brudd. Shakedown-grensen for 316 ved 400 grader er omtrent 1,5 til 2,0 ganger flytegrensen, avhengig av spenningsforholdet. Hvis spenningen ikke overskrider denne grensen, vil materialet reagere elastisk etter noen sykluser (elastisk shakedown). Sperrehastigheten er 0,01-0,1 % tøyning/syklus over denne grensen, og feil oppstår etter 1 000-10 000 sykluser. I denne artikkelen er den maksimale ekvivalente spenningen beregnet for skrallefri drift av 316 slirer under koblede belastninger.

Skrallemekanismen under multiaksial belastning

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 >2,0x utbytte.

Kvantifiserte ekvivalente spenningsgrenser for forebygging av skralle ved 400 grader

Tabellen nedenfor gir maksimal ekvivalent (von Mises) spenning for 316 rustfritt stål ved 400 grader (flytegrense ca. 140 MPa) for skrallefri drift for forskjellige designlevetider, representert som multipler av flytegrensen og absolutte spenningsverdier.

Ekvivalent spenning (von Mises) når det gjelder flyte (400 grader) Ekvivalent spenning absolutt (MPa) Skrallespenningshastighet (% syklus-1) Sykluser til 2% diameterøkning (feilkriterium) Sykluser til brudd Anbefalt for syklisk service<1.0× (<140 MPa) <140 0 (elastic shakedown) >100,000 >200 000 Ja
1,0–1,2× (140–170 MPa) 140–170<0.001 50,000-100,000 80,000-150,000 Yes (low risk)
1,2-1,5× (170-210 MPa) 170-210 0.001-0.005 10,000-50,000 15,000-80 000 Akseptabelt for moderat sykling
1,5-1,8× (210-250 MPa) 210-250 0.005-0.02 2,500-10,000 4,000-20 000 Marginal, skjerm
1,8-2,0× (250-280 MPa) 250-280 0.02-0.05 1,000-2,500 1,500-5000 Ikke egnet for høye sykluser
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
Kombinert belastning: Beregning av ekvivalent stress

For et tynn-vegget rør under et indre trykk (bøylespenning σ_θ) og en aksial restriksjon (aksialspenning σ_z) med ubetydelig radiell spenning, er von Mises ekvivalente spenning: σ_vM=sqrt(σ_θ2 + σ_σ_{_θ). Bøylespenning fra indre trykk: σ_θ=P × D_mean / 2t. Aksial termisk ekspansjonsbegrensningsspenning: σ_z=× E × ΔT × K, der K er en begrensningsfaktor (0 for totalt ubegrenset ekspansjon, 1,0 for totalt begrensede ender, mellomliggende for delvis begrensning). For en varmeovn med begge ender fast K=1.0 og den aksiale spenningen er trykk (negativ) for oppvarming og strekk (positiv) for kjøling. Den høyeste $\\sigma_{vM}$ oppstår når aksialspenningen er positiv (kjøling) og har samme fortegn som $\\sigma_\\theta$. σ_z=17e-6 x 180 GPa (ved 400C, E ~ 170 GPa) x 380=1100 MPa hvis fullt begrenset - mye over utbytte. For en typisk 10 mm OD, 1,5 mm veggkappe ved 400C indre veggtemperatur (Delta T=380C fra omgivelsestemperatur). I praksis reduserer begrensninger ved bøyning eller flensfleksibilitet den effektive K til 0,3-0,7.

Eksempel på praktisk bruk og designanbefalinger

La oss anta en 316 kappe (10 mm OD, 1,5 mm vegg) med et innvendig trykk på 2 MPa (20 bar) ved 400 grader. Bøylespenning σ_θ=(2x8,5) / (2x1,5)=5.7 MPa (ubetydelig). For den aksiale begrensningen, K=0.5, σz=0.5×1,100=550 MPa (kompressiv oppvarming, strekkkjøling). Den ekvivalente spenningen σ_vM=550 MPa (fordi σ_θ er liten) som er 3,9× flyt ved 400 grader (140 MPa) -godt inn i den raske sperresonen. En slik varmeovn vil bule og svikte i løpet av 100 til 200 sykluser. For å få σ_vM til 1,2 x yield (168 MPa), må K senkes til 0,15, derfor må monteringen være nesten fri til å utvide seg. For varmeovner som opererer over 300 grader, skal designet ha skyvestøtter, ekspansjonsløkker eller fleksible koblinger for å senke begrensningsfaktoren til mindre enn 0,2.

Feltbevis på ratcheting-feil

Det mest iøynefallende symptomet på skrallefeil er en jevn og permanent utvidelse av kappediameteren (hevelse) vanligvis ved den varmeste delen langs en lengde på 50-200 mm. Kan se vekst i diameter på 2-10 % før brudd. Bruddet er delt i lengderetningen (parallell med røraksen) i stedet for sprukket i omkretsretningen, siden bøylebelastningen fra skralle er større enn den aksiale tøyningen. Bruddoverflaten kan ha indikasjoner på syklisk plastisk deformasjon (strandmarkeringer). For varmeovner som er i bruk, kan periodisk måling av kappediameteren på mange steder med en skyvel oppdage skralle før feil; en diameterøkning på 1 % innebærer at 25-50 % av sperrelevetiden er brukt.

Konklusjon: Håndtere begrensninger for å forhindre ratcheting

Den maksimale ekvivalente spenningen for skrallefri drift av 316 varmeovner i rustfritt stål ved 400 graders innerveggtemperatur er ca. 1,2× yield (168 MPa) under sykliske forhold. Bøylespenningen på grunn av internt trykk alene er sjelden stor nok til å generere skralle. Den største spenningen er den aksiale termiske ekspansjonsbegrensningen som kan være høyere enn 1000 MPa i tilfelle av en godt festet kappe. Monteringssystemet må utformes for å tillate fri termisk ekspansjon ved hjelp av glidetetninger, ekspansjonsfuger eller fleksible braketter slik at begrensningsfaktoren K er under 0,2. Der full begrensning er uunngåelig (f.eks. i trykksveisede systemer), må materialet oppgraderes til en legering med høyere styrke som Inconel 625, eller arbeidstemperaturen må reduseres til under 300 grader. Den nåværende arkitekturen korrelerer ekvivalent stress med skrallehastighet og sykluslevetid, slik at kjøpere kan spesifisere 316 kapper som ikke vil vokse i diameter eller bryte fra syklisk termisk-mekanisk påkjenning.