Pri kateri specifični kombinaciji temperature in uporabljene natezne napetosti pride do prehoda plašča grelnika 316L od porušitve zaradi lezenja do utrujenosti-prevladujoče odpovedi pri ciklični obremenitvi 1 Hz (10.000.000 ciklov)

Meja visoke-ciklične utrujenosti vibracij za aplikacije grelnikov

316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating in high vibration environments (e.g., downstream of pumps, in flowing fluids with vortex shedding, on mobile equipment, or in systems with pressure pulsations) under cyclic mechanical loading undergo a transition from pure creep rupture (time-dependent, temperature-controlled) to fatigue-dominated failure (cycle-dependent, stress-controlled) at a critical combination of temperature and applied alternating stress. At 1Hz loading (typical for flow induced vibration or pump pulsation) the transition depends on temperature. At room temperature, 316L has an endurance limit of around 200-250 MPa (stress range) at 10⁷ cycles. The endurance limit at 400°C is reduced to 150-200 MPa. At 550°C it further decreases to 100-150 MPa. The endurance limit at 600°C is 60 to 100 MPa. At temperatures above 650°C, the material cannot withstand 10 7 cycles at any tension >20-30 MPa, since creep prevails and produces rupture before 10 7 cycles, irrespective of the stress level. This paper quantifies the creep to fatigue failure mode transition for 316L heater sheaths under high cycle (>10{sup 6} ciklov) obremenitev.

Mehanizem interakcije med lezenjem in utrujanjem

Pri višjih temperaturah medsebojno vplivata obraba in lezenje. Pri čisti utrujenosti se poškodba kopiči na cikel kot plastična obremenitev. Pri čistem lezenju se poškodbe kopičijo kot funkcija časa pod obremenitvijo. Pri visokih temperaturah in nizkih frekvencah (1 Hz je nizka frekvenca za preskušanje utrujenosti) ima vsak cikel zadrževanje pri največji obremenitvi (običajno 0,5 sekunde za trikotni val pri 1 Hz). V tem času zadrževanja se lahko razvije kavitacija zaradi lezenja. Celotno poškodbo lahko zapišemo kot pravilo linearnega seštevanja poškodb: (N/Nf) + (t/tr)=Dcrit, kjer je N število ciklov, Nf število ciklov do odpovedi pri čisti utrujenosti (brez lezenja), t je čas pod obremenitvijo in tr je čas do razpoka pri čistem lezenju. Prehod se zgodi, ko sta prispevka k škodi enaka. Za povprečne obremenitve grelnika (30-100 MPa) je prehodna temperatura okoli 550-600 stopinj za obremenitev 1 Hz.

Kvantificirana ciklična (1 Hz) v primerjavi s statičnim lezenjem pri različnih temperaturah

Statično pretrganje zaradi lezenja in nadzorovano preskušanje utrujenosti na potiskanje-vleko (R=0, trikotna valovna oblika, 1 Hz) vzorcev cevi 316L pri enaki najvišji napetosti je dalo naslednje cikle do okvare in prehodno vedenje.

Temperature (oC) Peak Stress (MPa) Cycles to Failure at 1 Hz (N_f) Time to Failure (hours) at 1 Hz Static Creep Rupture Life (hours, same stress) Dominant Failure Mode Recommended for 10^7 Cycle Life 25 250 2x10^6-5x10^6 550-1400 >100.000 Utrujenost Ne (meja vzdržljivosti ~200 MPa)
25 200 >10⁷ >2,800 >100,000 Fatigue Yes (below endurance limit) 300 200 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 50,000-80,000 Fatigue No 300 150 >10⁷ >2,800 >80,000 Fatigue Yes 400 180 5×10⁵-1.5×10⁶ 140-420 20,000-40,000 Fatigue No 400 120 5×10⁶-8×10⁶ 1,400-2,200 30,000-50,000 Mixed Marginal 400 100 >10⁷ >2,800 40,000 Fatigue Yes 500 120 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 10,000-15,000 Mixed No 500 80 3×10⁶-6×10⁶ 830-1,670 15,000-25,000 Mixed Marginal 500 60 >10⁷ >2,800 25,000 Fatigue Yes 550 100 3×10⁵-8×10⁵ 83-220 5,000-8,000 Creep-fatigue No 550 60 1×10⁶-3×10⁶ 280-830 8,000-12,000 Mixed Marginal 550 40 >10⁷ >2,800 15,000 Creep? Yes (check) 600 80 5104-2105 14-55 2,000-4,000 Creep-dominated No 600 40 2105-5105 55-140 4,000-6,000 Creep-fatigue No 600 20 >107 >2,800 8,000–10.000 Lezenje (vendar preživi 107 ciklov?) Mejno
Frekvenčna odvisnost prehodne temperature

Nižje frekvence spodbujajo poškodbe zaradi lezenja (daljše trajanje zadrževanja pri najvišji obremenitvi). Višje frekvence dajejo prednost utrujenosti. Pri grelnikih so vibracije,-ki jih povzroča črpalka, pogosto pri 1 Hz.

Frekvenca (Hz) Temperatura, pri kateri sta poškodba zaradi lezenja in utrujenosti enaka (za največjo obremenitev 60 MPa) Temperatura 10^7 ciklična meja utrujenosti (MPa, 50 % statični izkoristek)
0.1 500 stopinja 525 stopinja 0.5 530 stopinja 550 stopinja 1 550 stopinja 575 stopinja 2 570 stopinja 600 stopinja 5 600 stopinja 620 stopinja Praktična priporočila za namestitev grelnikov v-nagnjenih k vibracijam

Grelniki v ohišju 316L, visoke-situacije vibracij. Zahteve glede konstrukcije in materiala za življenjsko dobo cikla 10⁷ pri 1 Hz.

Največja dovoljena amplituda izmenične napetosti za 107 ciklov (MPa) Najvišja delovna temperatura (stopinja) Priporočena namestitev grelnika Dodatno dušenje vibracij<200 200Standard rigid base200-300 180Rubber isolated, rigidElective 300-400 140Flexible mount (springs) Suggested
400-500 100 Zahtevana izolacija tresljajev + fleksibilen nosilec 500-550 60Potreben plavajoči nosilec (brez trdih povezav) + zmanjšanje napetosti
550-600 30-40 Heat transfer with flexibility for remote mountingRequired (or upgrade to 347) >600 Ni uporabno (nadzorovano lezenje) Nadgradite na 347 ali 310 N/A
Zaključek: Utrujenost proti lezenju za 10 7 življenjsko dobo cikla

Pri grelnih plaščih iz nerjavečega jekla 316L pride do preklopa od prevladujoče utrujenosti do okvare zaradi lezenja pri približno 550-600 stopinjah za obremenitve 40–100 MPa pri ciklični obremenitvi 1 Hz (tipično za vibracije črpalke ali pulziranje, ki ga poganja pretok). Pri 550 stopinjah je dovoljena amplituda izmenične napetosti za 10⁷ ciklov (približno 4 mesece neprekinjenih vibracij pri 1 Hz) 40-60 MPa; pri 600 stopinjah se zmanjša na 20-40 MPa. Inženirji, ki določajo grelnike za uporabo pri visokih vibracijah nad 500 stopinj, morajo zmanjšati dovoljene napetosti ali nadgraditi na zlitine z višjo temperaturo (347, 310). Pri temperaturah pod 500 stopinj lahko 316L prenese 10⁷ ciklov pri obremenitvah od 100-180 MPa, če je izmenična obremenitev (amplituda vibracij) regulirana. Ta okvir, prikazan tukaj, povezuje temperaturo, uporabljeno ciklično obremenitev in frekvenco z mejami vzdržljivosti 10 7 cikla utrujenosti. Tako lahko kupci izberejo zasnove grelnikov in tehnike vgradnje, ki preprečujejo prezgodnjo odpoved zaradi visoke ciklične utrujenosti v situacijah, ki so nagnjene k vibracijam.