Какое максимальное эквивалентное напряжение от комбинированного внутреннего давления и ограничения теплового расширения при температуре внутренней стенки 400 градусов предотвращает разрушение оболочек нагревателя из нержавеющей стали 316

Предел стабилизации циклической термомеханической нагрузки

Многоосное напряженное состояние в электронагревательных трубках с оболочкой из нержавеющей стали 316, работающих в циклических условиях при повышенных температурах (температура внутренней стенки 400 C), таких как прерывистый технологический нагрев или системы с ежедневными циклами включения-выключения, обусловлено сочетанием внутреннего кольцевого напряжения давления и осевого напряжения, вызванного тепловым расширением. Если эквивалентное напряжение (фон Мизеса) превышает предел приспособляемости материала, оболочка будет создавать пластическую деформацию во время каждого цикла нагрева (храповик), что приведет к постепенному увеличению диаметра (набуханию) и окончательному разрыву. Предел приспособляемости для стали 316 при температуре 400 градусов примерно в 1,5–2,0 раза превышает предел текучести, в зависимости от коэффициента напряжений. Если напряжение не превышает этот предел, материал будет упруго реагировать после нескольких циклов (эластичная приспособляемость). Скорость храповика составляет 0,01–0,1 % деформации за цикл выше этого предела, а отказ происходит после 1000–10 000 циклов. В этой статье максимальное эквивалентное напряжение рассчитано для работы без храпового механизма 316 оболочек при связанных нагрузках.

Храповый механизм при многоосном нагружении

If a heater sheath is fixed at both ends (e.g. flanges or penetrations in the tank wall), thermal expansion during heating will produce axial compressive stress if the sheath is longer than required by its free length. At the same time, hoop tensile stress is induced by internal pressure, whether from sealed gas expansion or from process pressure. The axial stress may surpass yield in compression during heating and be reversed to tension during cooling. If the von Mises equivalent stress exceeds the cyclic yield strength of the material, the hoop direction is incremented by the amount of plastic strain for each complete heat cycle. This incremental strain builds up with each cycle resulting in a gradual increase in sheath diameter (ratcheting). The ratcheting rate is dependent on the axial-to-hoop stress ratio and mean stress level. For similar loads up to around 1.2× the yield strength, no ratcheting occurs (elastic shakedown). Ratcheting is observed at a low rate (10 -4 to 10 -3 per cycle) between 1.2x and 2.0x yield. Rapid ratcheting leads to failure in hundreds of cycles at >Доходность 2,0x.

Количественные эквивалентные пределы напряжения для предотвращения храповика при 400 градусах

В таблице ниже указано максимальное эквивалентное (по Мизесу) напряжение для нержавеющей стали 316 при 400 градусах (предел текучести около 140 МПа) для работы без храпового механизма для различных расчетных сроков службы, представленное как кратные значения предела текучести и абсолютного напряжения.

Эквивалентное напряжение (по Мизесу) с точки зрения текучести (400 градусов) Эквивалентное абсолютное напряжение (МПа) Скорость деформации с храповым механизмом (% цикла-1) Циклы до 2% увеличения диаметра (критерий разрушения) Циклы до разрыва Рекомендуется для циклической эксплуатации<1.0× (<140 MPa) <140 0 (elastic shakedown) >100,000 >200 000 Да
1,0-1,2× (140-170 МПа) 140-170<0.001 50,000-100,000 80,000-150,000 Yes (low risk)
1,2-1,5× (170-210 МПа) 170-210 0.001-0.005 10,000-50,000 15,000-80,000 Приемлемо для умеренной езды на велосипеде
1,5-1,8× (210-250 МПа) 210-250 0.005-0.02 2,500-10,000 4,000-20 000 Предел, монитор
1,8-2,0× (250-280 МПа) 250-280 0.02-0.05 1,000-2,500 1,500-5000 Не подходит для высоких циклов
2.0-2.5×(280-350 MPa) 280-350 0.05-0.10 200-1,000 300-2,000 Unacceptable >2.5× (>350 MPa) >350 >0.10 <200 <300 Not acceptable
Комбинированные нагрузки: расчет эквивалентного напряжения

Для тонкостенной-трубки, находящейся под внутренним давлением (окружное напряжение σ_θ) и осевым ограничением (осевое напряжение σ_z) с незначительным радиальным напряжением, эквивалентное напряжение по Мизесу равно: σ_vM=sqrt(σ_θ2 + σ_z2 - σ_θσ_z). Окружное напряжение от внутреннего давления: σ_θ=P × D_mean / 2t. Напряжение, ограничивающее осевое тепловое расширение: σ_z=× E × ΔT × K, где K — коэффициент ограничения (0 для полностью неограниченного расширения, 1,0 для полностью ограниченных концов, промежуточный для частичного ограничения). Для нагревателя с обоими концами фиксированного K=1.0 и осевое напряжение сжимающее (отрицательное) для нагрева и растягивающее (положительное) для охлаждения. Наибольшее значение $\\sigma_{vM}$ возникает, когда осевое напряжение положительное (охлаждение) и того же знака, что и $\\sigma_\\theta$. σ_z=17e-6 x 180 ГПа (при 400°С, E ​​~ 170 ГПа) x 380=1100 МПа, если полностью ограничено - выход намного выше. Для типичного внешнего диаметра 10 мм, оболочки толщиной 1,5 мм при температуре внутренней стенки 400°C (дельта T=380C от температуры окружающей среды). На практике смягчение ограничений за счет изгиба или гибкости фланца снижает эффективный K до 0,3–0,7.

Пример практического использования и рекомендации по проектированию

Предположим, что используется оболочка из стали 316 (наружный диаметр 10 мм, стенка 1,5 мм) с внутренним давлением 2 МПа (20 бар) при температуре 400 градусов. Кольцевое напряжение σ_θ=(2x8,5) / (2x1,5)=5.7 МПа (незначительное). Для осевого ограничения K=0.5, σz=0.5×1,100=550 МПа (нагрев при сжатии, охлаждение при растяжении). Эквивалентное напряжение σ_vM=550 МПа (поскольку σ_θ ничтожно), что в 3,9 раза превышает предел текучести при 400 градусах (140 МПа)- и находится в зоне быстрого храповика. Такой нагреватель вздулся и вышел из строя через 100–200 циклов. Чтобы довести σ_vM до 1,2 x предела текучести (168 МПа), необходимо снизить K до 0,15, поэтому крепление должно иметь возможность практически свободно расширяться. Для любого нагревателя, работающего при температуре выше 300 градусов, в конструкции должны быть скользящие опоры, компенсационные петли или гибкие соединения, чтобы снизить коэффициент ограничения до уровня менее 0,2.

Полевые доказательства неудачи с храповым механизмом

Наиболее ярким признаком неисправности храпового механизма является равномерное и постоянное расширение диаметра оболочки (вздутие) обычно в самой горячей части на длине 50-200 мм. Перед разрывом может наблюдаться увеличение диаметра на 2-10%. Разрыв имеет продольное расщепление (параллельно оси трубы), а не образование трещин по окружности, поскольку окружная деформация от храповика больше, чем осевая деформация. На поверхности излома могут наблюдаться признаки циклической пластической деформации (разметка пляжа). Для находящихся в эксплуатации нагревателей периодическое измерение диаметра оболочки в различных местах с помощью штангенциркуля позволяет обнаружить храповик до выхода из строя; Увеличение диаметра на 1% означает, что срок службы храпового механизма был использован на 25–50%.

Заключение: управление ограничениями для предотвращения храпового изменения

Максимальное эквивалентное напряжение для работы-без храпового механизма нагревателей в корпусе из нержавеющей стали 316 при температуре внутренней стенки 400 градусов составляет примерно 1,2-кратный выход (168 МПа) в циклических условиях. Натяжение обруча только за счет внутреннего давления редко бывает достаточно большим, чтобы вызвать храповик. Основным напряжением является ограничение осевого теплового расширения, которое в случае прочно закрепленной оболочки может превышать 1000 МПа. Монтажная система должна быть спроектирована так, чтобы обеспечить свободное тепловое расширение посредством скользящих уплотнений, компенсаторов или гибких кронштейнов, чтобы коэффициент ограничения K был ниже 0,2. Там, где полное ограничение невозможно избежать (например, в системах, сваренных под давлением), необходимо заменить материал на более прочный сплав, такой как Инконель 625, или снизить рабочую температуру ниже 300 градусов. Текущая архитектура коррелирует эквивалентное напряжение со скоростью храповика и сроком службы, что позволяет покупателям выбирать 316 оболочек, которые не будут увеличиваться в диаметре или разрушаться в результате циклических термических-механических напряжений.