Как метод установки нагревателя с титановой оболочкой (фланцевый или резьбовой ниппель) меняет распределение напряжений на холодном контактном соединении при воздействии термического цикла с 20 до 180 градусов?

Основной компромисс при установке нагревателя для эксплуатации в условиях высокого-теплового-цикла
Нагреватели в титановом корпусе часто устанавливаются через стенки резервуара с использованием либо фланцевого соединения (привинченного к соответствующему фланцу), либо резьбового ниппеля (ввинченного в сварную муфту). Холодный контактный переход, где провод внутреннего сопротивления соединяется с внешним электрическим выводом, испытывает наибольшую термическую нагрузку во время циклического изменения температуры окружающей среды (20 градусов) до температуры процесса (180 градусов). Способ установки оболочки влияет на то, как она расширяется и сжимается относительно неподвижной стенки резервуара и, таким образом, оказывает прямое влияние на способ распределения напряжения в этом жизненно важном месте. Фланцевое крепление обеспечивает некоторую радиальную и осевую податливость, но резьбовой ниппель жестко удерживает оболочку. Толщина стенки зависит от метода монтажа: более толстая стенка повышает осевую жесткость и передает большую тепловую нагрузку на холодное штифтовое соединение. В этом анализе сравнивается распределение напряжений для фланцевого и резьбового монтажа, а также предоставляются рекомендации по выбору для применений с высокими температурными циклами.

Влияние на механическую целостность: напряжение холодного штифтового соединения
Для титанового нагревателя длиной 500 мм осевое расширение составляет ΔL=×L×ΔT= 8.6e-6×500×160=0.69 мм при нагреве от 20 до 180 градусов. Оболочка плотно удерживается в резьбовом ниппельном креплении на резьбе. Это ограниченное расширение создает осевое сжимающее напряжение σ_axis=E × × ΔT=105 ГПа × 8,6e-6 × 160=144 МПа. Это напряжение немедленно передается на холодный штыревой переход, где оболочка меняется с нагретой на ненагретую. Для стенки толщиной 1,0 мм это напряжение ниже предела текучести 275 МПа и поэтому демонстрирует упругое поведение. Но частая езда вызывает утомление суставов. Для стенки толщиной 1,8 мм осевое напряжение составляет 144 МПа (независимо от толщины стенки при жестком ограничении), но жесткость на изгиб в месте соединения выше, следовательно, меньше возможностей компенсировать небольшие перекосы. Анализ методом конечных элементов показывает, что коэффициент концентрации напряжений в холодном штыревом соединении увеличивается с 2,5 для стенки толщиной 1,0 мм до 3,2 для стенки толщиной 1,8 мм с соответствующими локализованными пиковыми напряжениями 360 МПа и 460 МПа. Стенка толщиной 1,8 мм превышает локальный предел текучести, что приводит к пластической деформации в каждом цикле и быстрому усталостному разрушению.

Нагреватель крепится во фланцевом креплении с помощью прокладки, хотя и не закреплен жестко. Фланец позволяет оболочке немного проскальзывать сквозь прокладку по мере ее расширения. Сила трения на прокладке (не полный модуль сечения) препятствует расширению и снижает осевое напряжение от 5–10 до 15–30 МПа. Напряжение в холодном контактном соединении составляет менее 50 МПа, что находится в пределах упругости как для стенок 1,0 мм, так и для стенок 1,8 мм. Фланцевое крепление по существу изолирует тепловое расширение от холодного штыревого перехода.

Влияние на тепловые характеристики: потеря тепла и повреждение прокладки
Способ крепления также влияет на передачу тепла на холодный штифт. В ниппеле с резьбой контакт металла-к-металлу обеспечивает хорошую теплопроводность от оболочки к стенке резервуара, охлаждая холодное штифтовое соединение и сохраняя электрическое уплотнение. Но это охлаждение также означает потери тепла, что снижает эффективность системы на 2–5%. При фланцевом креплении прокладка (ПТФЭ или сжатое волокно в целом) является изолятором, снижающим тепловые потери до менее чем 1%, но позволяющим холодному контактному соединению работать при более высокой температуре. Для работы при температуре 180 градусов холодный штифт на фланцевом креплении может иметь температуру 120-140 градусов, при этом требуются высокотемпературные подводящие провода и изоляция из силикона или стекловолокна. Толщина стенки не сильно влияет на эту разницу тепла.

Как выбрать метод крепления: синтез-компромиссных решений
Тип монтажа Толщина стенки Пиковое напряжение на холодном штифте (цикл от 20 до 180 градусов) Рекомендуемое применение Усталостный срок службы с тепловыми потерями (циклов до отказа)
Ниппель с резьбой 1,0 мм 360 МПа (локальный) 5 000–10 000 циклов 3–5 % Применения с низким-циклом (< 5,000 cycles) with thin wall.
Ниппель резьбовой 1,8 мм 460 МПа (локальный) 1000–2000 циклов 3–5% Не рекомендуется - пластическая деформация за цикл
Фланцевая прокладка из ПТФЭЛюбая (1,0-1,8 мм) < 50 МПа > 100 000 циклов < 1 % Предпочтительно для применения в условиях высоких-циклов или высоких температур.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 градусов), при котором ПТФЭ разрушается.
Инженерные петли расширения и гибкие соединения за пределами крепления
Если приложение требует резьбового монтажа (т. е. модернизации существующих муфт), трубка нагревателя содержит компенсационную петлю (изогнутую на 180 градусов) между нагреваемой частью и холодным контактным соединением для механического поглощения теплового расширения и снижения напряжения на холодном контакте независимо от толщины стенки. Кривая под углом 90 градусов и радиусом 50 мм снижает передаваемую осевую нагрузку на 70%. В качестве альтернативы между нагревателем и электрическим корпусом используется гибкое металлическое шланговое соединение для изоляции холодного штыря от сил теплового расширения.

ВЫВОД: Фланцевое крепление предпочтительнее для эксплуатации в условиях высоких температурных циклов.
We demonstrate that a flanged mount with a compliant gasket reduces the tension at the cold pin junction of a titanium encased heater with thermal cycling from 20$^\circ$C to 180$^\circ$C as compared to a threaded nipple. The rigid restriction in the threaded mount induces an axial compressive stress of 144 MPa, which combined with stress concentration factors of 2.5-3.2 leads to localized yielding at the cold pin for thick walls (>=1.5 мм). Стенки с резьбой толщиной 1,8 мм имеют усталостную долговечность всего 1000–2000 циклов. Оболочка с фланцевым креплением скользит через прокладку, и пиковое напряжение остается ниже 50 МПа независимо от толщины стенки, что приводит к > 100 000 циклов. Если резьбовая установка неизбежна, используйте тонкие стенки (менее или равные 1,0 мм) и расширительную петлю. Для новых установок, где требуется высокая надежность при циклическом нагреве, предпочтительным вариантом является фланцевое крепление с прокладкой из ПТФЭ. Толщина стенки устанавливается с учетом требований к коррозии и давлению, а не напряжения, вызванного монтажом.