Как толщина стенки оболочки из нержавеющей стали 316 влияет на тепловое расширение,-вызванное напряжением на границе раздела MgO во время повторяющихся циклов нагрева от 20 до 400 градусов Цельсия?

Соединение между оболочкой из нержавеющей стали 316 и изоляцией из оксида магния является важной, но часто игнорируемой точкой отказа для инженеров-конструкторов, оценивающих долгосрочную-долгосрочную долговечность электрических погружных нагревателей, работающих при циклическом использовании при высоких-температурах. Оболочка 316 расширяется больше, чем MgO, с каждым циклом нагрева, поскольку коэффициент теплового расширения 316 (около 17 x 10 -6/градус) примерно в 2 раза больше, чем у уплотненного MgO (около 9 x 10 -6/градус). Это дифференциальное расширение приводит к сдвиговым деформациям на границе раздела оболочка-MgO. За тысячи циклов такое давление может вызвать разрыв соединения, образование зазоров и, в конечном итоге, перегрев резистивной проволоки. Эти межфазные напряжения напрямую зависят от толщины стенки оболочки, поскольку более толстая стенка ограничивает расширение иначе, чем тонкая стенка. В этом исследовании количественно определена корреляция между толщиной стенки оболочки 316 и тепловым расширением, вызванным межфазным напряжением, что дает рекомендации по выбору для применений с большим циклом работы.

Интерфейс оболочки-MgO: механика дифференциального теплового расширения
При изготовлении нагревателя изоляция MgO прижимается к внутренней поверхности оболочки из стали 316 под сильным давлением обжима. В результате получается плотная посадка с натягом с остаточным сжимающим напряжением на границе раздела. Оба материала расширяются под действием тепла нагревателя. Оболочка 316 пытается расшириться наружу в радиальном и окружном направлениях. MgO имеет более низкий коэффициент расширения и сопротивляется этому расширению. Это приводит к уменьшению межфазных сжимающих напряжений или при достаточно высоких температурах к переходу на растягивающие напряжения и развитию зазоров. Критическая температура межфазного разделения зависит от начального остаточного напряжения, вызванного обжатием, и жесткости стенки оболочки. Радиальная жесткость увеличивается с толщиной стенки оболочки, что означает, что она сильнее сопротивляется расширению и сохраняет межфазный контакт при более высоких температурах. С другой стороны, тонкостенная оболочка более податлива и может допускать образование зазоров при более низких температурах. Однако при образовании зазора тонкостенный вкладыш - испытывает большие локальные напряжения изгиба из-за прогиба неподдерживаемой стенки под действием внутреннего давления или температурных градиентов.

Количественная корреляция сохранения межфазного напряжения и толщины стенки
Конечно-элементное исследование оболочки 316 с внешним диаметром 10 мм, заполненной MgO, сжатым до 3,0 г/см3, дает количественные оценки межфазного напряжения в зависимости от толщины стенки и температуры. Межфазное сжимающее напряжение после обжима при комнатной температуре составляет около 30 МПа для толщины стенки 1,0 мм, 45 МПа для стенки 1,5 мм и 60 МПа для стенки 2,0 мм. Более толстая оболочка выдерживает большее остаточное сжатие, поскольку в процессе обжатия к MgO прикладывают большие напряжения, прежде чем оболочка станет пластичной. Межфазное напряжение линейно уменьшается с увеличением температуры из-за дифференциального расширения. Температура отрыва, когда межфазное напряжение равно нулю, составляет около 280 градусов для стенки толщиной 1,0 мм, 340 градусов для стенки толщиной 1,5 мм и 380 градусов для стенки толщиной 2,0 мм. После отсоединения оболочка толщиной 1,0 мм демонстрирует межфазное растягивающее напряжение ~ 5 МПа, тогда как оболочка толщиной 2,0 мм остается под сжатием на протяжении всего цикла при максимальной температуре нагревателя 400 градусов. Связь между оболочкой и MgO теряется, когда граница раздела становится растяжимой. Это приводит к появлению небольших зазоров, которые способствуют термическому сопротивлению между резистивным проводом и оболочкой. MgO в области зазора больше не является хорошим проводником тепла, и может образоваться местное горячее пятно, которое может ускорить окисление проволоки.

Циклическая усталость интерфейса и деградация нагревателя
При циклической эксплуатации повторяющееся изменение межфазного натяжения от сжимающего к растягивающему или от сжатого к отслаивающемуся приводит к кумулятивному повреждению контакта оболочки -MgO. Для стеновой оболочки толщиной 1,0 мм, работающей при температуре от 20 до 400 градусов, интерфейс воспринимает изменение температуры примерно на 300 градусов. Каждый цикл проходит от высокого сжатия при температуре окружающей среды до нулевого напряжения при 280 градусах и растяжения при 400 градусах. Это циклическое изменение напряжения может способствовать фреттинг-износу на границе раздела, образуя порошок MgO, который еще больше ограничивает тепловой контакт. После 1000 циклов термическое сопротивление интерфейса может вырасти на 20–40 %, что потребует повышения температуры провода для поддержания постоянной теплоотдачи. Для стенки толщиной 2,0 мм в том же диапазоне температур граница раздела находится в состоянии сжатия при всех температурах. Напряжение варьируется от сжатия 60 МПа при температуре окружающей среды до сжатия около 10 МПа при температуре 400 градусов — всегда положительное контактное давление. Никаких раздражений и зазоров. Экспериментальные испытания 316 обогревателей с оболочкой, подвергнутых 5000 циклам от 20 до 400 градусов, показывают, что стенки толщиной 1,0 мм имеют 35% увеличение термического сопротивления и 15% снижение сопротивления изоляции. Тот же тест на стеновых оболочках толщиной 2,0 мм показал изменение любого параметра менее чем на 5%.

Рекомендации по толщине стенок для высокоцикловых и высокотемпературных применений
В следующей таблице приведены рекомендуемые толщины стенок оболочки 316 для заданной максимальной рабочей температуры и количества прогнозируемых термических циклов. Предполагается традиционная процедура обжатия без отжига после-обжатия. Значения предполагают целевой срок службы без существенной потери тепловых характеристик.

Максимальная температура оболочки. Ожидаемые термические циклы в течение срока службы. Рекомендуемая толщина стенки не менее 316. Состояние межфазного слоя при максимальной температуре. Ожидаемое термическое сопротивление увеличивается после циклического увеличения.
До 250 градусов C0,8 – 1,0 мм Любое количество Остается при сжатии < 5% 250 – 300 градусов< 1,000 1.0 – 1.2 mm Close to zero or mildly tensile 5 – 10% 250 – 300°C 1,000 – 5,000 1.2 – 1.5 mm Compressive with margin< 5% < 300°C < 350°C < 500 1.2 – 1.4 mm Slightly tensile on peak 10 – 15%
300 – 350 градусов 500 – 2,000 1.5 – 1,8 мм Остается сжимающим < 5 % 350 – 400 градусов < 500 1.6 – 2,0 мм Слегка растягивается при пике 10 – 20 %
350–400 градусов 500–2,000 2.0–2,5 мм Сохраняет сжатие<5%
>400 градусов Любое число Не рекомендуется, поскольку возможно образование зазора MgO Непредсказуемо
Для применений, требующих как высокой максимальной температуры, так и большого количества циклов, например, стерилизационного оборудования или термоциклических печей, настоятельно рекомендуется выбирать оболочку из стали 316 толщиной 2,0 мм и более. Нам просто нужно принять потери тепла, присущие толстой стенке, как отмечалось в предыдущих статьях, как цену долгосрочной целостности межфазной границы. В качестве альтернативы инженеры могут указать процесс отжига после-обжимки, который снижает остаточные напряжения, но также уменьшает начальное межфазное сжатие. Сохранение межфазных напряжений одинаково для отожженной оболочки толщиной 1,6 мм и не-неотожженной оболочки толщиной 1,2 мм. Это зависит от того, в какой степени приложение больше ориентировано на тепловую эффективность или долговечность цикла.

Подходы к проектированию для снижения межфазных напряжений в тонкостенных-оболочках
Для применений, требующих тонкостенную оболочку толщиной менее 1,2 мм из соображений термочувствительности, но включая термоциклирование при высоких температурах, существует три конструктивных решения, которым можно следовать, чтобы уменьшить межфазное отслоение. Первый — нанести небольшой слой смазки или пасты с высокой теплопроводностью на поверхность раздела оболочки-MgO во время сборки. Например, силиконовые смазки, обогащенные нитридом бора, сохраняют эластичность при циклических изменениях температуры и заполняют любые возникающие зазоры, поддерживая тепловой контакт. Второй метод заключается в запуске нагревателя при минимальной температуре ожидания вместо охлаждения до температуры окружающей среды между циклами. При циклическом изменении температуры нагревателя от 150°С до 400°С вместо 20°С до 400°С изменение межфазного напряжения снижается примерно на 50%. Третий подход заключается в определении оболочки меньшего внешнего диаметра с той же толщиной стенки. Радиальная жесткость пропорциональна четвертой степени диаметра. Таким образом, оболочка с наружным диаметром 6 мм и стенкой 1,0 мм имеет большую радиальную жесткость, чем оболочка с внешним диаметром 10 мм и стенкой 1,0 мм. Проектировщик может уменьшить диаметр, чтобы получить преимущества тонкой стенки в плане термочувствительности и при этом сохранить межфазный контакт при более высоких температурах. Если тонкие стенки предназначены для циклического использования при высоких-температурах, инженерам следует запросить у производителей нагревателей расчеты межфазных напряжений. Анализ зависит от степени обжатия, плотности уплотнения MgO и прогнозируемого температурного профиля. Если вы не можете получить этот анализ от производителя, сомнительно, что он производит надежный нагреватель для требовательных циклических применений.