ปลอกสแตนเลส 316 ในเทอร์โมสตัท-ภายใต้สภาวะการโหลดแบบวนรอบ ฮีตเตอร์แบบจุ่มที่ควบคุมจะพัฒนารอยแตกร้าวจากความล้าจากความร้อนที่รัศมีโค้งงอ

รัศมีการโค้งงอ: จุดเน้นทางกลของความเครียดการขยายตัวเนื่องจากความร้อนซ้ำๆ

การพังทลายทางกลก่อนเวลาอันควรขององค์ประกอบรูปทรงตัว U- หรือ - ในเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มหุ้มสแตนเลส 316 ที่ทำงานในการ- ปิดวงจรบ่อยครั้งภายใต้การควบคุมอุณหภูมิจะสังเกตเห็นได้บ่อยที่สุดใกล้กับรัศมีโค้งงอ อย่างไรก็ตาม รัศมีการโค้งงอจะต้องได้รับความเค้นหลายแกนที่ซับซ้อน เนื่องจากความเค้นแบบห่วงจากความดันภายใน ความเค้นตามแนวแกนจากการขยายตัวทางความร้อนของขาตรงที่ได้รับความร้อน และความเค้นดัดจากข้อจำกัดทางเรขาคณิตของส่วนโค้งเอง ซึ่งแตกต่างจากส่วนตรงของปลอกซึ่งจะขยายและหดตัวอย่างอิสระตามความยาวในระหว่างรอบการให้ความร้อนและความเย็น การคืบคลานจะช่วยลดความเครียดเหล่านี้ในเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ในระหว่างการทำงานอย่างต่อเนื่องอย่างสม่ำเสมอ และไม่เกิดการแตกร้าว ในการทำงานแบบเป็นรอบ (มากกว่า 5-รอบความร้อนเต็มต่อวัน) การรัดแบบยืดหยุ่นบ่อยครั้งจะทำให้เกิดความเสียหายจากการเมื่อยล้าสะสม บทความนี้จะอธิบายปริมาณความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนรอบ ความแตกต่างของอุณหภูมิ รูปทรงโค้งงอ และอายุการเริ่มต้นการแตกหัก และให้กรอบการทำงานข้อกำหนดสำหรับการใช้งานรอบสูง

กลไกการขยายตัวทางความร้อนไม่ตรงกันที่บริเวณการดัดงอ

เนื่องจากปลอก 316 รูปทรงตัวยู-ถูกให้ความร้อนจากอุณหภูมิโดยรอบ (20 องศา ) จนถึงอุณหภูมิพื้นผิวการทำงาน (โดยทั่วไปคือ 80-150 องศาสำหรับการบริการที่เป็นน้ำหรือ 300-500 องศาสำหรับการทำความร้อนด้วยอากาศ/แก๊ส) ขาตรงแต่ละข้างจะขยายตามยาวตามค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสำหรับสแตนเลส 316 ประมาณ 17 10-6 / องศา บนเครื่องทำความร้อนแบบขาตรงขนาด 500 มม. ที่มีอุณหภูมิพื้นผิว 120 องศา (ΔT=100 องศาจากสภาพแวดล้อมเมื่อเปิดเครื่อง) ขาแต่ละข้างจะขยาย 0.85 มม. เพื่อให้สามารถขยายได้ รัศมีการโค้งงอ โดยปกติคือ 20-40 มม. (1.5 ถึง 3 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ) จะต้องยืดออก อย่างไรก็ตาม บริเวณโค้งงอยังเป็นส่วนที่หนาที่สุดของเครื่องทำความร้อนหลังจากการดัดงอ (รัศมีภายนอกจะบางลงและรัศมีภายในหนาขึ้น) และทำให้เกิดการกระจายความเค้นที่ซับซ้อน การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของขาตรงทำให้เกิดแรงอัดระหว่างการให้ความร้อนที่รัศมีด้านในของส่วนโค้งงอ ความเค้นดึงจะถูกสร้างขึ้นที่รัศมีภายนอก ความเค้นดึงสูงสุดที่เส้นใยด้านนอกของการโค้งงอเป็นฟังก์ชันของตัวแปรสามตัว: ความแตกต่างของอุณหภูมิ (ΔT) ความยาวของขาตรง (L) และรัศมีของการโค้งงอ (R) การประมาณแนวทางจากทฤษฎีการโค้งงอของลำแสง ให้ค่าความเครียดไซคลิกสูงสุด ε=ΔTL/2R (1) โดยที่ สำหรับตัวอย่างที่กำหนดด้วย=17×10−6, ΔT=100 องศา , L=500 มม. และ R=30 มม. ค่าความเครียดไซคลิกที่คำนวณได้ที่รัศมีโค้งด้านนอกคือประมาณ 0.0014 (0.14 %) ค่านี้ปลอดภัยสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม 316 อบอ่อนที่มีขีดจำกัดความล้าประมาณ 0.2-0.3% ความเครียดสำหรับ 107 รอบ อย่างไรก็ตาม หาก ΔT เพิ่มขึ้นถึง 300 องศา (อุณหภูมิของเปลือก 320 องศา โดยทั่วไปในการทำความร้อนด้วยอากาศ) ความเครียดจะอยู่ที่ 0.42 % ซึ่งอยู่เหนือขีดจำกัดความล้า และอายุการใช้งานของวงจรจะถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 10,000‐20,000 รอบก่อนที่จะเริ่มการแตกหัก

งานเย็นเนื่องจากการดัดงอและส่งผลต่อความเหนื่อยล้าในชีวิต

เทคนิคการดัดเชิงกลเพื่อสร้างท่อ U- หรือเครื่องทำความร้อนรูปตัว L - เกี่ยวข้องกับงานเย็นจำนวนมากในบริเวณส่วนโค้งงอ โดยเฉพาะในรัศมีภายนอก ที่อัตราส่วนการโค้งงอ R/D (รัศมีการโค้งงอต่อเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ) 2.0 เส้นใยด้านนอกจะทนต่อความเครียดในการดัดงอ ~25-30 % ในกระบวนการขึ้นรูป ซึ่งสอดคล้องกับ-ระดับการทำงานเย็นที่ 20-25 % การรักษาความเย็นนี้จะเพิ่มความแข็งแรงของผลผลิตของเหล็กกล้าไร้สนิม 316 จากประมาณ 205 MPa (อบอ่อน) เป็น 350-450 MPa แต่ช่วยลดความเหนียวและความต้านทานต่อความล้าของวัสดุลงได้อย่างมาก ขีดจำกัดความล้าที่ 20% ความเย็น{-ทำงาน 316 ที่ 10{sup 7} รอบลดลงเหลือความเครียดประมาณ 0.10-0.15% ซึ่งน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของวัสดุอบอ่อน ย้อนกลับไปถึงกรณีการให้ความร้อนอากาศด้านบน (ΔT=300 องศา , L=500 มม., R=30 มม., ความเครียด=0.42 %) การโค้งงอแบบเย็นจะล้มเหลวในเวลาน้อยกว่า 1,000 รอบ ผลลัพธ์ในทางปฏิบัติคือ เครื่องทำความร้อนที่ทำจากท่ออบอ่อนที่โค้งงอโดยไม่มีการอบอ่อนหลังการโค้งงอ ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับรอบอุณหภูมิมากกว่า 1,000 รอบ สำหรับการใช้งานรอบสูง (เช่น เครื่องทำความร้อนถัง หมุนเวียน 20 ครั้งต่อวัน 300 วันต่อปี เป็นเวลา 5 ปี=30,000 รอบ) การอบอ่อนที่สมบูรณ์หลังการโค้งงอเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อฟื้นฟูลักษณะความล้าของบริเวณส่วนโค้งงอ

การประเมินจำนวนรอบที่ปลอดภัย ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การทำงานและรูปทรงโค้งงอ

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 ให้ความต้านทานต่อความเหนื่อยล้าที่เหมาะสม ในการใช้งานที่มีรอบมากกว่า 100,000 รอบ (ระบบหมุนเวียน-อย่างรวดเร็ว เช่น -ของ-การใช้เครื่องทำน้ำร้อน) โซลูชันการออกแบบเฉพาะ เช่น เครื่องทำความร้อนที่ไม่โค้งงอตรง- การเชื่อมต่อที่ยืดหยุ่น หรือความหนาแน่นของพลังงานที่ลดลงเพื่อลด ΔT เป็นสิ่งที่จำเป็น

อัตราส่วนรัศมีการโค้งงอ (R/D) หลัง-การโค้งงอ การรักษาความร้อน เปลือกสูงสุด ΔT ต่อรอบ ( องศา ) รอบโดยประมาณที่จะเริ่มต้นการแตกร้าว (ล้มเหลว 10%) รอบสูงสุดที่แนะนำสำหรับการบริการที่ปลอดภัย ความเหมาะสมในการใช้งานทั่วไป
1.5 ไม่มี (เมื่อ-งอ) 50 50,000 10,000 รอบต่ำ น้ำอุ่น (ΔT เล็ก)
1.5 ไม่มี (ตาม-งอ) 150 2,000 1,000 การทำน้ำร้อนมาตรฐาน, การปั่นจักรยานแบบจำกัด
1.5 ไม่มี (เป็น-งอ) 300 200 100 การทำความร้อนด้วยอากาศ; ไม่ใช่สำหรับการปั่นจักรยานบ่อยๆ
2.0 None (as-bent) 50 >100,000 20,000เหมาะสำหรับการใช้น้ำอุ่นปานกลาง
2.0 ไม่มี (เมื่อ-งอ) 150 5,000 2,000 ยอมรับได้สำหรับการทำหน้าที่จ่ายน้ำเป็นระยะๆ
2.0 ไม่มี (เป็น-งอ) 300 500 200 ขอบอากาศ; หลีกเลี่ยงการปั่นจักรยานเป็นประจำ
3.0 ไม่มี (งอ) 150 15,000 5,000พอใช้ ชอบอบอ่อนสำหรับรอบสูง
3.0 Full solution anneal (1040 °C + quench) 150 >200,000 50,000เครื่องทำน้ำร้อนรอบสูงเยี่ยมมาก
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 30,000 ดีที่สุดสำหรับบริการ-รอบสูง, สูง-ΔT
ตัวชี้วัดภาคสนามของการวิเคราะห์การแตกร้าวจากความล้าจากความร้อนและความล้มเหลว

รอยแตกเมื่อยล้าจากความร้อนที่รัศมีโค้งงอมีคุณสมบัติเฉพาะซึ่งทำให้แตกต่างจากกลไกความล้มเหลวประเภทอื่นๆ เช่น การแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น (SCC) หรือการแตกเป็นรู รอยแตกจากความเมื่อยล้ามักจะเป็นเส้นรอบวง (ตั้งฉากกับแกนท่อ) และเกิดขึ้นที่รัศมีด้านนอกของส่วนโค้งงอ ซึ่งเป็นจุดที่ความเครียดแรงดึงแบบไซคลิกสูงที่สุด เริ่มต้นที่พื้นผิวด้านนอกและก้าวหน้าภายใน บ่อยครั้งเป็นรอยแยกขนานกันหลายช่องซึ่งห่างกัน 2-5 มม. รอยชายหาดหรือเส้นริ้วที่กำลังขยายบนพื้นผิวรอยแตกร้าวบ่งบอกถึงการแพร่กระจายของรอยแตกแบบก้าวหน้าในหลายรอบ การแตกหักของ SCC มักจะแตกแขนงตามขอบเกรน (ตามขอบเกรนใน 316 ที่อุณหภูมิสูงกว่า) และสัมพันธ์กับการสัมผัสกับคลอไรด์ ความล้มเหลวในการเจาะจะมีรูแยกออกจากกันไม่มีรอยแตกร้าว เปรียบเทียบจำนวนรอบการทำงานและส่วนต่างของอุณหภูมิสำหรับฮีตเตอร์ที่เสียตรงส่วนโค้งกับตารางด้านบน หากพารามิเตอร์การใช้งานอยู่ในโซนปลอดภัย แต่ยังคงเกิดความล้มเหลว สาเหตุที่เป็นไปได้มากที่สุดคือ: โค้งงอแน่นเกินไป (R/D < 2.0) ไม่มีการอบอ่อนหลังการโค้งงอ หรือข้อบกพร่องจากการผลิต เช่น รอยบากหรือตะเข็บในท่อที่ตำแหน่งโค้งงอ การประกันคุณภาพมีให้สำหรับผู้ซื้อที่ต้องการเครื่องทำความร้อนสำหรับการใช้งานแบบวน โดยต้องมีการตรวจสอบการแทรกซึมด้วยรังสีหรือสีย้อมของบริเวณส่วนโค้งงอหลังจากการดัดงอและการอบอ่อน โดยมีเกณฑ์การยอมรับว่าไม่มีรอยแตกหรือรอยพับที่พื้นผิว

กลยุทธ์ในการลดความเครียดจากความร้อนที่ส่วนโค้ง

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 และเปลี่ยนโค้งให้เป็นแนวกวาดซึ่งส่งผลให้เกิดความเครียดต่ำในระหว่างการขยายตัวเนื่องจากความร้อน ประการที่สองคือการติดตั้งเครื่องทำความร้อนด้วยหน้าแปลนลอยหรือแบบเลื่อน เพื่อให้เครื่องทำความร้อนทั้งหมดสามารถเคลื่อนตัวในแนวแกนระหว่างการทำความร้อนและความเย็น แทนที่จะยึดปลายทั้งสองไว้อย่างแน่นหนา L ที่มีประสิทธิผลในสมการความเครียดจะลดลงครึ่งหนึ่งโดยเครื่องทำความร้อนที่มีปลายด้านหนึ่งจับจ้องอยู่ และปลายอีกด้านหนึ่งสามารถเคลื่อนที่ผ่านซีลเลื่อนได้ (การขยายตัวจะเกิดขึ้นจากจุดคงที่ด้านนอกเท่านั้น) เทคนิคที่สามคือการลดความหนาแน่นของพลังงาน และลดส่วนต่างของอุณหภูมิของปลอก (ΔT) ภายใต้การทำงานปกติ การลดความหนาแน่นของพลังงานจาก 8 W/cm2 เป็น 4 W/cm2 มักจะลดอุณหภูมิของปลอกจาก 120 องศาเป็น 90 องศา , ΔT จาก 100 องศาเป็น 70 องศา และความเครียดแบบไซคลิกตามสัดส่วนเพื่อให้น้ำร้อน สำหรับการติดตั้งที่มีอยู่ซึ่งประสบความล้มเหลวจากความล้า การติดตั้งเพิ่มเติมด้วยตัวควบคุม-สตาร์ทแบบนุ่มนวลที่เพิ่มแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 5-10 วินาทีจะช่วยลดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน แต่ไม่ได้กำจัดความเครียดสะสมจาก ΔT เต็มในแต่ละรอบอย่างสมบูรณ์ การลดเฉพาะอุณหภูมิที่ตั้งไว้หรือความถี่ของรอบเท่านั้น จึงช่วยยืดอายุการใช้งานได้อย่างมีนัยสำคัญ

โดยสรุป: ประสานการออกแบบโค้งงอกับการนับรอบเพื่อการบริการที่เชื่อถือได้

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 >ต้องใช้=3.0 เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดกระดูกหักตั้งแต่เนิ่นๆ ระบุ R/D มากกว่าหรือเท่ากับ 4.0 ด้วยการหลอมสารละลายเต็มรูปแบบและการติดตั้งแบบลอยตัวสำหรับระบบ-หมุนเวียนอย่างรวดเร็วหรือสำหรับการทำความร้อนด้วยอากาศที่อุณหภูมิสูง- สำหรับการใช้งานแบบเป็นรอบ วิศวกรควรต้องมีใบรับรองอัตราส่วนรัศมีโค้งงอและการบำบัดความร้อนหลังการโค้งงอ-เมื่อซื้อเครื่องทำความร้อน ด้วยสถาปัตยกรรมที่อธิบายไว้ที่นี่ จะได้ความสัมพันธ์ระหว่างรูปร่างโค้งงอ สภาพการทำงานที่เย็น- และจำนวนรอบกับอายุความล้าที่คาดหวัง ในลักษณะที่ว่าผู้ซื้อสามารถระบุเครื่องทำความร้อนแบบห่อหุ้ม 316 ตัวที่ทนทานตามจำนวนรอบความร้อนที่ต้องการโดยไม่มีการแตกร้าวที่ส่วนโค้งงอ