Pri kateri specifični kombinaciji visoko-frekvenčnega termičnega kroženja in mehanskih vibracij 2,0-milimetrski plašč iz nerjavečega jekla 316 kaže slabšo življenjsko dobo zaradi utrujenosti v primerjavi z 1,2-milimetrskim plaščem v industrijskih procesnih grelnikih?

Inženirji za zanesljivost in strokovnjaki za vzdrževanje, ki delajo na električnih potopnih grelnikih za neprekinjene industrijske procese (stroji za brizganje, sistemi termičnega olja, paketi batnih kompresorjev itd.), se soočajo s kompleksnim okoljem utrujenosti, ki nastane zaradi medsebojnega delovanja termičnega cikla in mehanskih vibracij, ki se le redko reproducirajo s preskušanjem v enem-načinu. Intuicija bi narekovala, da bi kakršna koli vrsta ciklične obremenitve vedno povzročila, da bi debelejši 2,0 mm ovoj iz nerjavečega jekla 316 preživel dlje od njegovega tanjšega 1,2 mm dvojnika. Vendar pa je lahko v aplikacijah, kjer se visokofrekvenčno toplotno cikliranje pojavi hkrati z znatnimi mehanskimi vibracijami, ravno obratno. Večje prehodne toplotne napetosti se pojavljajo v debelejši steni zaradi hitrih temperaturnih nihanj in povečane togosti stene, ki vibracijske sile prenaša bolj neposredno na vmesnik MgO in uporovno žico. To delo določa posebno kombinacijo frekvence toplotnega cikla, temperaturnega nihanja in amplitude vibracij, pri kateri 2,0 mm ovoj odpove pred 1,2 mm ovojom, kar zagotavlja kvantitativna merila za odločanje o načrtovanju.

Mehanizem interakcije toplotne obremenitve in vibracijske utrujenosti
Člen 28 je pokazal, da je čisto toplotno ciklično utrujenost v ovoju iz 316 posledica temperaturnega gradienta skozi debelino stene. Prehodni gradient za 2,0 mm steno med ciklom od 20 stopinj do 250 stopinj pri 10 stopinj/sekundo je okoli 220 stopinj. Posledica tega je toplotna obremenitev okoli 350 MPa, kar je veliko nad mejo tečenja 316 pri povišani temperaturi. Material se ne obnavlja elastično v vsakem ciklu in poškodbe se kopičijo. Pri steni debeline 1,2 mm identičen prehod povzroči gradient 130 stopinj in napetost ~200 MPa, pogosto pod pragom tečenja. Tako tanjša stena prejme malo ali nič plastične obremenitve na temperaturni cikel, medtem ko debelejša stena utrpi hude poškodbe. Ko se mehanske vibracije prekrijejo, pride do interakcije mehanizmov poškodb. Vibracije same povzročajo izmenično upogibne obremenitve, ki so manjše v debelejši steni zaradi večjega modula preseka. Vendar se vibracijska obremenitev med fazo segrevanja doda toplotni obremenitvi. Pri 2,0 mm ovoju, ko je izkoristek že dosežen ali presežen samo s toplotno obremenitvijo, dodatek celo majhne vibracijske obremenitve potisne material dlje v plastičen režim, s čimer se poveča nastanek razpok. 1,2 mm ovoj je še vedno elastičen le pod toplotno obremenitvijo. Z dodatkom vibracijske obremenitve je lahko material še vedno pod izkoristkom, zato se poškodba ne pospeši.

Kvantitativni kriteriji za inverzijo življenjske dobe ob utrujenosti
Nadzorovana laboratorijska raziskava, ki je vključevala ogrevane 316 ovojov na vibracijski mizi s hkratnim termičnim kroženjem, je natančno določila posebne pogoje, pod katerimi je življenjska doba 2,0 mm ovoja krajša od življenjske dobe 1,2 mm ovoja. Pri frekvenci toplotnega cikla 2 cikla na uro (48 ciklov na dan), nihanju temperature od 20 stopinj do 250 stopinj in amplitudi tresljajev 1 g pri 30 Hz, 2,0 mm stena odpove pri približno 8.000 ciklih, medtem ko 1,2 mm stena preseže 25.000 ciklov brez okvare ali razmerje življenjske inverzije, večje od 3:1 v korist tanjše stene. 2,0 mm ovoj preživi 15.000 ciklov pri amplitudi vibracij 0,5 g, vendar manj kot 25.000 ciklov 1,2 mm ovoja. S stopnjo vibracij 0,2 g, značilno za dobro izolirane instalacije, 2,0 mm ovoj doseže 22.000 ciklov, kar je blizu, vendar ne boljše od zmogljivosti tanke stene. Za frekvence toplotnih ciklov pod 0,5 ciklov na uro (12 ciklov na dan) 2,0 mm plašč zagotavlja dovolj časa med cikli za zmanjšanje napetosti, njegova življenjska doba ob utrujenosti pa je boljša od 1,2 mm plašča. Ključno območje, kjer debele stene delujejo slabše, je tako podano z amplitudami vibracij, večjimi od 0,3 g, in frekvencami toplotnih ciklov, večjimi od 1 cikla na uro. V tem režimu je mehanizem odpovedi večinoma posledica povečane toplotne obremenitve debelejše stene, medtem ko vibracijska obremenitev deluje kot pospeševalnik in ne glavni vzrok.

316 Plašči - Kombinirana izbirna matrika obremenitve
V spodnji tabeli je predlaganih 316 debelin sten plašča za hkratno ciklično temperaturo in uporabo pri mehanskih vibracijah. Vrednosti temeljijo na kombiniranih preskusnih podatkih s temperaturnim nihanjem od 20 do 250 stopinj in frekvenco vibracij 30 Hz.

Frekvenca toplotnega cikla (cikli/h) Amplituda vibracij (g) Temperaturni nihaj (stopinja) Priporočeno 316 ciklov debeline stene plašča do okvare pri priporočeni debelini Pričakovani prevladujoči mehanizem okvare
<0.5Any Any 2.0 – 2.5 mm 20,000 – 30,000 Vibration stress; thick wall is desirable
0,5 – 1,0 Manj kot 0,2 g Do 200 stopinj c 1.6 - 2.0 mm 18,000 - 25,000 Mešano poljubna sprejemljiva debelina
0,5 – 1.0 0.2 – 0,5 g Do 200 stopinj 1,2 – 1,6 mm 15.000 – 22.000 Nastaja toplotna obremenitev Raje tanke stene
1,0 – 2,0 Manj kot 0,2 g 150 – 250 stopinj 1,2 – 1,6 mm 18.000 – 25.000 Prevladuje toplotna obremenitev, izogibajte se debelim stenam
1,0 – 2.0 0.2 – 0,5 g 150 – 250 stopinj 1,0 – 1,2 mm 15.000 – 20.000 Kombinirana obremenitev; potrebna tanka stena
1,0 – 2,0 Več kot 0,5 g Katero koli Ni priporočljivo z 316<10,000 Upgrade to Incoloy 800H or isolate vibration
Nad 2,0 Katero koli Nad 150 stopinj Ni priporočljivo Pod 8000 Pregrobo za 316 toplotnih ciklov
V visoko{0}}območju tveganja frekvence-toplotnega cikla matrike nad 1 na uro in vibracij nad 0,3 g imajo inženirji tri možnosti za uporabo. Prvi je izolacija grelnika pred vibracijami z uporabo gibljivih nosilcev ali oddaljene pritrditve ohišja priključka. Zmanjšanje vibracij z 0,5 g na 0,1 g lahko izboljša življenjsko dobo zaradi utrujenosti za faktor 3 do 5. Možnost 2 je zmanjšati pogostost toplotnih ciklov z minimalno temperaturo v stanju pripravljenosti, namesto da bi grelec ciklično spreminjal z okolja na 150 C-250 C. Druga alternativa je Incoloy 800H, ki ima zmanjšano toplotno raztezanje in višjo-temperaturno trdnost ter s tem boljšo odpornost na toplotno in vibracijsko utrujenost. Inženirji bi morali poiskati podatke o utrujenosti pri kombinirani obremenitvi od proizvajalcev, ko določajo grelnike za sklope batnih kompresorjev ali opremo za brizganje, kjer je veliko ciklov segrevanja in velike vibracije. Življenjske dobe v dejanskem delovanju ponudnik z enim načinom ne more pravilno predvideti (samo toplotni cikel ali samo vibracije). Stroški prezgodnje okvare v mnogih aplikacijah so visoki, pogosto zahtevajo nenačrtovane zaustavitve neprekinjenih procesov. Pravilna izbira debeline stene na podlagi integrirane analize obremenitev je ključna inženirska izbira in je ni mogoče preprosto nadomestiti s pravilom, da je debelejše vedno boljše. V težki kombinaciji visokofrekvenčnega termičnega kroženja in blagih vibracij 1,2 mm ovoj 316 pogosto zdrži dvakrat ali več kot 2,0 mm ovoj. Tako je tanjša stena pravilna specifikacija za dolgo življenjsko dobo in toplotno učinkovitost.