Kolikšna največja dovoljena obremenitev obroča pri temperaturi notranjega plašča 500 stopinj vpliva na 100.000-urno življenjsko dobo grelnih cevi iz nerjavečega jekla 316 do pretrganja zaradi plazenja

Osnova načrtovanja napetosti za življenjsko dobo pri povišani temperaturi

Za električne grelne cevi, oplaščene iz nerjavečega jekla 316, ki se uporabljajo pri visokotemperaturnem ogrevanju zraka ali plina z notranjo temperaturo kovine 500 stopinj, in v notranjih stenah plaščev, potopljenih v tekočine z nižjo temperaturo, je največja dovoljena obročna napetost za 100.000 ur življenjske dobe proti lezenju pomemben konstrukcijski parameter. Pri zasnovi pri sobni temperaturi je meja tečenja osnova za dovoljeno napetost, medtem ko so pri zasnovi pri visoki temperaturi za delovanje z omejenim lezenjem ravni napetosti takšne, da komponenta ne bo počila zaradi kavitacije pri lezenju in razpok na mejah zrn v svoji načrtovani življenjski dobi. Za nerjaveče jeklo 316 pri 500 stopinjah je povprečna napetost, ki povzroči zlom v 100.000 urah (približno 11,4 leta neprekinjenega delovanja), približno 120–140 MPa, odvisno od specifične toplotne kemije in velikosti zrn. Največja dovoljena obročna napetost je 80–95 MPa z običajnim varnostnim faktorjem 1,5 za načrtovanje proti zlomu zaradi lezenja (metoda ASME, oddelek VIII, oddelek 2). Članek podaja kvantificirane podatke o porušitveni napetosti pri lezenju za 316 grelnih plaščev v temperaturnem območju od 450 stopinj do 650 stopinj in metodologijo za izračun varnega delovnega tlaka in debeline stene za delovanje pri povišanih temperaturah.

Mehanizem lomljenja zaradi plazenja in Larson-Millerjev kriterij

Pri nerjavečem jeklu 316 do lezenja pride zaradi kavitacije meja zrn in širjenja razpok. Čas do porušitve se spreminja s temperaturo v skladu z Arrheniusovo relacijo in z napetostjo v skladu z inverznim potenčnim zakonom. Larson-Millerjev parameter (LMP=T × (C + log t_r), kjer je T absolutna temperatura v Kelvinih, t_r je čas pretrganja v urah in C je materialna konstanta, ki je običajno 15-20 za avstenitna nerjavna jekla) je način ekstrapolacije podatkov o kratkoročnem preskusu lezenja na podaljšano življenjsko dobo. Na 316 je bilo opravljeno obsežno testiranje za določitev 100.000-urne pretrgalne trdnosti pri lezenju pri 500 stopinjah med 110 MPa (spodnja meja, 95-odstotno zaupanje) in 150 MPa (zgornja meja) z normalno srednjo vrednostjo 130 MPa. Razpočna trdnost pri 100.000 urah je 60-90 MPa pri 550 stopinjah. In pri 600 stopinjah se zniža na 30-50 MPa. Pri 650 stopinjah je 100.000 urna pretrgna trdnost samo 15-25 MPa. To je pod obročno napetostjo zaradi notranjega tlaka v večini modelov grelnikov in pomeni, da 316 ne more doseči 100.000 ur življenjske dobe pri 650 stopinjah, ne glede na to, kako debela je stena, ker bo zlom zaradi lezenja neizogiben. Praktični rezultat je, da mora biti 316 oplaščenih grelnikov, izdelanih za 100.000 ur (11,4 let) neprekinjenega delovanja, izdelanih tako, da najvišja delovna temperatura plašča ni višja od 530-550 stopinj, odvisno od notranjega tlaka.

Dovoljena obremenitev obroča, kvantificirana za 100.000 ur življenjske dobe.

Tabela 4.3 prikazuje največjo dovoljeno obročno obremenitev za grelne cevi iz nerjavečega jekla 316 z življenjsko dobo 100.000 ur proti lezenju pri temperaturah med 450 in 650 stopinjami. Navedene so tri vrednosti napetosti, tj. povprečna napetost do pretrganja (50-odstotna obstojnost), spodnja meja napetosti (95-odstotna preživetje, API/ASME konstrukcijska osnova) in predlagana dovoljena konstrukcijska napetost (spodnja meja deljena z varnostnim faktorjem 1,25-1,5, odvisno od kode. Za načrtovanje grelnika, ki uporablja navedeno sprejemljivo obremenitev, je treba največji notranji tlak izračunati iz tankostenskega formula obročne napetosti: P max=2 t σ dovoljeno / D povprečje, kjer je t debelina stene, D povprečje povprečni premer.

Temperatura (stopinja) Povprečna napetost pretrganja (MPa) Spodnja meja 100.000 ur (95 % preživetje) Obremenitev pretrganja (MPa) Priporočena konstrukcijsko dovoljena napetost (MPa) (SF=1.4 na spodnji meji) Največja obročna napetost za 100.000 ur življenjske dobe (MPa) Tipična omejitev uporabe 450 210-250 180-210 130-150 130 Neomejena storitev 475 170-200 145-175 100-125 110 Varno za večino grelnikov
500 120-150 100-130 70-95 85 Standardna konstrukcijska osnova 525 85-110 70-95 50-70 60 Zahtevana je zmanjšana konstrukcija 550 60-80 45-65 30-45 40 Kratka-življenjska doba ali-samo nizka obremenitev 575 40-55 30-45 20-30 25 Mejna vrednost za neprekinjeno delovanje 600 25-40 18-30 12-20 15 Ni priporočljivo za 100.000 ur 625 15-25 10-18 7-12 10 Nesprejemljivo za dolgo življenjsko dobo
650 10-15 5-10 3-7 5 316 ni primeren; nadgradnja zlitine
Pretvarjanje notranjega tlaka in debeline stene v dovoljeno napetost

Priporočena konstrukcijsko dovoljena obročna napetost za običajni grelni ovoj 316 z zunanjim premerom 10 mm in debelino stene 1,5 mm (povprečni premer 8,5 mm) je 85 MPa pri 500 stopinjah, kar daje največji notranji tlak P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 MPa (300 barov). To je precej nad kakršnim koli izvedljivim tlakom pri uporabi potopnega grelnika, kar dokazuje, da porušitev zaradi lezenja pri 500 stopinjah ni omejevalni dejavnik za tak grelnik – prevladovale bodo druge težave, kot sta oksidacija ali toplotna utrujenost. Pri velikem premeru plašča ali visoki temperaturi postane lezenje omejujoče. Za ovoj 20 mm OD s steno 2,0 mm (povprečni premer 18 mm) pri 550 stopinjah (dovoljena napetost 40 MPa) je največji notranji tlak le Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 barov). To je morda premalo za grelnik pri 550 stopinjah v sistemu pod tlakom (npr. pregreta voda ali para pri tlaku 80-100). Projektant mora povečati debelino stene, znižati temperaturo z zmanjšanjem gostote moči ali posodobiti material.

Dejavniki, ki vplivajo na prelomno trdnost pri lezenju

Trdnost proti plazenju v tabeli je za 316 popolnoma žarjeno velikost zrn ASTM 6-8 (30-50 m). Tri stvari spreminjajo te vrednosti. Prva je velikost zrn. Grobozrnat material (ASTM 3-5, 50-80 µm) izkazuje 10-20 % močnejšo protilomno trdnost pri lezenju pri enaki temperaturi kot drobnozrnat material, ker so meje zrn prevladujoča mesta kavitacije pri lezenju, grobe velikosti zrn pa pomenijo manj meja na prostorninsko enoto materiala in s tem manjšo gostoto votlin. Prehod na najmanjšo velikost zrn ASTM 5 lahko zagotovi dodatno rezervo. Druga komponenta je predhodna hladna obdelava: 10-20 % hladna obdelava poveča začetno trdnost, vendar povzroči hitro sprostitev napetosti in rekristalizacijo okoli 500-600 stopinj, kar vodi do slabše dolgoročne lezljive trdnosti kot popolnoma žarjen material. Popolnoma žarjeno je boljše za omejeno delovanje zaradi lezenja. Tretja točka je porazdelitev karbidov. Material s finimi intragranularnimi karbidi (iz pravilnega žarjenja v raztopini) daje izločevalno ojačitev, ki poveča odpornost proti lezenju. Grobi karbidi z mejami zrn (preobčutljivost) zmanjšajo trdnost pri lezenju, saj karbidi delujejo kot mesta nukleacije za votline. Fini intragranularni karbidi v mikrostrukturi, žarjeni v raztopini, so potrebni za aplikacije z omejenim lezenjem

Praktično določanje temperature plašča za izračune življenjske dobe lezenja

Temperatura notranjega ovoja (temperatura kovine na notranji steni, ki uravnava lezenje tlačnega-prečnega-prereza) delujočega grelnika je višja od temperature zunanjega ovoja, izmerjene v procesni tekočini. Temperaturna razlika čez steno je ΔT=(q × t) / k, kjer je q toplotni tok (W/m2), t debelina stene in k toplotna prevodnost 316 (približno 20 W/m·K pri 500 stopinjah). Pri običajnem grelniku vode s temperaturo zunanjega plašča 90 stopinj in debelino stene 1,5 mm je temperatura notranjega plašča samo 1-2 stopinji višja, kar je zanemarljivo. Če je temperatura zunanjega plašča 600 stopinj, je lahko temperatura notranjega plašča 620-630 stopinj zaradi znižanja temperature čez steno, kar bo močno zmanjšalo življenjsko dobo lezenja. Toplotni tok je treba uporabiti za določitev izračunane temperature notranje stene, ko se uporabijo podatki o zlomu zaradi lezenja in ne zabeležena zunanja temperatura. Lezenje ni način okvare, ki omejuje življenjsko dobo pri večini aplikacij potopnega ogrevanja v tekočinah. Za ogrevanje z zrakom in plinom nad 500 stopinjami zunanje temperature je treba posebej upoštevati lezenje.

Povzetek: Uporaba podatkov o prelomu zaradi lezenja pri načrtovanju grelnikov 316

Za grelnike z ohišjem iz nerjavečega jekla 316 z notranjo temperaturo 500 stopinj je največja dovoljena obročna napetost za 100.000 ur (11,4 let) življenjske dobe proti lezenju 85 MPa (priporočena dovoljena konstrukcija). Ta vrednost napetosti dovoljuje navadnim plaščem z majhnim premerom (10 mm OD, 1,5 mm stene), da prenesejo notranje pritiske do 300 barov – veliko več kot običajni delovni pogoji. Pri 550 stopinjah je dovoljena napetost zmanjšana na 40 MPa in pri 600 stopinjah na 15 MPa, zaradi česar je življenjska doba porušitve zaradi lezenja omejena za številne modele grelnikov. Inženirji, ki potrebujejo 316 plaščev za uporabo pri visokih temperaturah, morajo izračunati notranjo temperaturo stene iz toplotnega toka in debeline stene, nato izbrati debelino stene in delovni tlak tako, da nastala obročna napetost ne preseže dovoljenih vrednosti v tabeli za želeno življenjsko dobo. Tukaj opisana arhitektura povezuje porušitveno napetost zaradi lezenja s temperaturo, časom in varnostnimi parametri, tako da lahko kupci izdelajo 316 grelnikov v ohišju, ki bodo neprekinjeno delovali 100.000 ur brez okvare zaradi lezenja.