При каких условиях циклической нагрузки в оболочке из нержавеющей стали 316 в погружном нагревателе, управляемом термостатом-, образуется термическое усталостное растрескивание на радиусе изгиба?

Радиус изгиба: механический фокус повторяющихся напряжений при тепловом расширении

Преждевременный механический выход из строя U- или L-образных элементов в погружных нагревателях в корпусе из нержавеющей стали 316, работающих в частом циклическом включении-выключении под управлением термостата, чаще всего наблюдается вблизи радиуса изгиба. Однако радиус изгиба подвергается сложным многоосным напряжениям из-за окружного напряжения от внутреннего давления, осевого напряжения от теплового расширения нагретых прямых ветвей и напряжения изгиба от геометрических ограничений самой изогнутой секции, в отличие от прямых участков оболочки, которые свободно расширяются и сжимаются по своей длине во время циклов нагрева и охлаждения. Релаксация ползучести устраняет эти напряжения в нержавеющей стали 316 во время устойчивой непрерывной работы и не приводит к образованию трещин. При циклической работе (более 5-10 полных теплоциклов в сутки) частые упругие деформации приводят к накоплению усталостных повреждений. В этой статье количественно определена взаимосвязь между количеством циклов, разницей температур, геометрией изгиба и сроком службы до начала разрушения, а также представлена ​​структура спецификаций для приложений с большим количеством циклов.

Механизм несоответствия теплового расширения в зоне изгиба

Поскольку U-образная оболочка из стали 316 нагревается от температуры окружающей среды (20 градусов) до температуры рабочей поверхности (обычно 80-150 градусов для работы с водной средой или 300-}500 градусов для нагрева воздухом/газом), каждая из прямых опор будет расширяться в продольном направлении в соответствии с коэффициентом теплового расширения для нержавеющей стали 316, примерно 17 10-6/градус. На нагревателе с прямыми ветвями длиной 500 мм и температурой поверхности 120 градусов (ΔT=100 градусов от температуры окружающей среды при включении питания) каждая ветвь расширяется на 0,85 мм. Чтобы обеспечить такое расширение, радиус изгиба, обычно 20–40 мм (в 1,5–3 раза превышает внешний диаметр трубы), должен растянуться. Однако область изгиба также является наиболее толстостенной частью нагревателя после изгиба (наружный радиус становится несколько тоньше, а внутренний – толще) и создает сложное распределение напряжений. Тепловое расширение прямых ветвей вызывает сжимающие напряжения при нагреве на внутреннем радиусе изгиба. Растягивающее напряжение создается на внешнем радиусе. Максимальное растягивающее напряжение на внешнем волокне изгиба является функцией трех переменных: разницы температур (ΔT), длины прямого участка (L) и радиуса изгиба (R). Основное приближение из теории изгиба балки дает максимальную циклическую деформацию, ε=ΔTL/2R (1) где - Для данного примера с=17×10-6, ΔT=100 градусов, L=500 мм и R=30 мм вычисленная циклическая деформация на внешнем радиусе изгиба составляет около 0,0014 (0,14 %). Это значение безопасно для отожженной нержавеющей стали 316 с пределом выносливости около 0,2–0,3% при деформации в течение 10⁷ циклов. Однако если ΔT возрастает до 300 градусов (температура оболочки обычно составляет 320 градусов при воздушном нагреве), то деформация составляет 0,42 %, что превышает предел выносливости, а срок службы ограничивается примерно 10 000–20 000 циклов до начала разрушения.

Холодная работа изгибом и ее влияние на снижение усталостной долговечности

Технология механического изгиба для изготовления U-трубок или L-образных нагревателей включает в себя значительную холодную обработку в области изгиба, особенно по внешнему радиусу. При коэффициенте изгиба R/D (радиус изгиба к внешнему диаметру трубки) 2,0 внешнее волокно испытывает изгибную деформацию ~25-30 % в процессе формования, что соответствует уровню холодной-обработки 20-25 %. Такая холодная обработка повышает предел текучести нержавеющей стали 316 примерно с 205 МПа (отожженный) до 350-450 МПа, но существенно снижает пластичность и сопротивление усталости материала. Предел выносливости 20% холодной -обработанной 316 при 10{sup 7} циклах снижается примерно до 0,10–0,15 % деформации, что составляет менее половины от отожженного материала. Возвращаясь к случаю нагрева воздуха выше (ΔT=300 градусов, L=500 мм, R=30 мм, деформация=0.42 %), холоднодеформированный изгиб выйдет из строя менее чем за 1000 циклов. Практический результат состоит в том, что нагреватели, изготовленные из отожженных трубок, согнутых без отжига после изгиба, не подходят для любого применения, включающего более 1000 температурных циклов. Для применений с большим циклом (например, нагреватели резервуаров, работающие на велосипеде 20 раз в день, 300 дней в году, в течение 5 лет=30 000 циклов) требуется полный отжиг после изгиба для восстановления усталостных характеристик области изгиба.

Оценка безопасного количества циклов в зависимости от рабочих параметров и геометрии изгиба

The permitted number of thermal cycles for a 316 sheath bend to crack initiation is a Coffin-Manson relationship, the log of cycles to failure being inversely related to the log of cyclic plastic strain. The limitations shown in the table below have been developed by combining field failure data with laboratory fatigue testing on 316 tubing with varied bend radii and cold work conditions. Two important criteria are identified: For applications with less than 1000 total cycles during the life of the heater (typical of continuous processes that run for weeks or months without shutdown), even moderate cold-worked bends survive reliably. For applications beyond 10,000 cycles (multiple on-off cycles per day over several years), only thoroughly annealed bends with R/D >= 3.0 обеспечивает соответствующую усталостную устойчивость. В приложениях с числом циклов более 100 000 (быстро-циклические системы, такие как точечные--водонагреватели), необходимы специальные конструктивные решения, такие как прямые не-изогнутые нагреватели, гибкие соединения или уменьшенная удельная мощность для уменьшения ΔT.

Коэффициент радиуса изгиба (R/D) после-термообработки при изгибе Максимальное ΔT оболочки за цикл (градусы) Расчетное количество циклов до возникновения трещины (10% отказов) Рекомендуемое максимальное количество циклов для безопасной эксплуатации Пригодность для типичного применения
1,5 Нет (при-изгибе) 50 50,000 10,000 Низкий цикл, теплая вода (малое ΔT)
1,5 Нет (-изогнутый) 150 2,000 1,000 Стандартный нагрев воды, ограниченное циклическое использование
1,5 Нет (в-изогнутом виде) 300 200 100 Воздушное отопление; не для частой езды на велосипеде
2.0 None (as-bent) 50 >100,000 20000Подходит для циклов умеренно теплой воды.
2,0 Нет (-изогнутый) 150 5,000 2,000 Приемлемо для прерывистой подачи воды
2.0 Нет (при-изогнутом состоянии) 300 500 200 Незначительный для воздуха; избегайте регулярной езды на велосипеде
3,0 Нет (в изогнутом состоянии) 150 15,000 5,000Удовлетворительно, для высоких циклов предпочитают отжиг
3.0 Full solution anneal (1040 °C + quench) 150 >200,000 50000Нагрев воды в высоком цикле, отлично
3.0 Full solution anneal after bending 300 20,000 10,000Suitable for high-cycle air/gas heating 4.0 or more (sweep bend) Full solution anneal 300 >100,000 30000 Лучше всего для любого сервиса с высоким-циклом и высоким-ΔT.
Полевые индикаторы термического усталостного растрескивания и анализа отказов

Трещины термической усталости на радиусе изгиба обладают особыми свойствами, которые отличают их от других типов механизмов разрушения, таких как коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) или питтинг. Усталостные трещины обычно имеют окружной характер (перпендикулярно оси трубы) и возникают по внешнему радиусу изгиба, именно там, где циклическая деформация растяжения является максимальной. Они начинаются на внешней поверхности и распространяются внутрь, часто образуя множество параллельных трещин на расстоянии 2-5 мм друг от друга. Отметины или полосы на поверхности излома при увеличении указывают на постепенное распространение трещины в течение многих циклов. Переломы SCC обычно ветвящиеся, межзеренные (транскристаллитные в 316 при более высоких температурах) и связаны с воздействием хлоридов. В питтинговых дефектах наблюдаются отдельные отверстия и отсутствие трещин. Сравните количество рабочих циклов и разницу температур для вышедшего из строя нагревателя на изгибе с таблицей выше. Если параметры применения находились в безопасной зоне, но сбой все же произошел, наиболее вероятными причинами являются: слишком тугой изгиб (R/D < 2,0), отсутствие отжига после изгиба или производственный дефект, такой как надрез или шов на трубке в месте изгиба. Гарантия качества предоставляется покупателям, которым требуются нагреватели для циклического использования, требующие радиографического или капиллярного контроля области сгиба после гибки и отжига, с критерием приемки отсутствия поверхностных трещин и складок.

Стратегии снижения термической деформации на изгибе

Three design modifications are used to lower the cyclic strain when the required cycle count exceeds the allowable limits for a given bend shape. The first and most effective is to increase the bend radius to R/D >= 4.0 и превратите изгиб в изгиб, что приведет к снижению деформации при тепловом расширении. Второй – установить ТЭН с плавающим или скользящим фланцем, чтобы весь ТЭН мог смещаться в осевом направлении при нагреве и охлаждении, а не надежно удерживать оба конца. Эффективное значение L в уравнении деформации уменьшается вдвое, если у нагревателя один конец закреплен, а другой конец может свободно перемещаться через скользящее уплотнение (расширение происходит только от фиксированной точки наружу). Третий метод заключается в уменьшении удельной мощности и, следовательно, уменьшении перепада температур оболочки (ΔT) при нормальной работе. Уменьшение плотности мощности с 8 Вт/см2 до 4 Вт/см2 обычно снижает температуру оболочки со 120 до 90 градусов, ΔT со 100 до 70 градусов и циклическую деформацию пропорционально нагреву воды. Для существующих установок, испытывающих усталостные отказы, модернизация с помощью контроллера плавного-пуска, который увеличивает напряжение в течение 5-10 секунд, снижает тепловой удар, но не устраняет полностью совокупную деформацию от полного ΔT каждого цикла — только снижение заданной температуры или частоты циклов обеспечивает значительное продление срока службы.

В заключение: скоординируйте проектирование изгибов с учетом количества циклов для обеспечения надежной эксплуатации.

The bend radius of a U-shaped or L-shaped 316 stainless steel immersion heater is not a geometric afterthought, it is the mechanical component most susceptible to thermal fatigue under cyclic operation. For applications with fewer than 5 cycles per day (less than 2,000 cycles during a 2-year life), standard bends with R/D = 2.0 and no post-bend annealing are suitable for adequate water heating dependability. For high cycle applications (>20 cycles/day, >15,000 cycles in 2 years), post-bending annealing and R/D >= 3.0 необходимы во избежание раннего образования трещин. Укажите R/D больше или равное 4,0 с полным отжигом на раствор и плавающим монтажом для систем быстрого-циклирования или для высоко-нагрева воздуха. При циклическом использовании инженеры должны потребовать сертификацию соотношения радиусов изгиба и термообработку после-изгиба при покупке нагревателей. С помощью описанной здесь архитектуры получается взаимосвязь между формой изгиба, холодным-условием работы и количеством циклов с ожидаемым усталостным сроком службы, так что покупатели могут выбрать 316 заключенных в кожух нагревателей, которые выдерживают необходимое количество термических циклов без трещин на изгибе.