500 derece İç Kılıf Sıcaklığında İzin Verilen Maksimum Çember Stresi, 316 Paslanmaz Çelik Isıtıcı Borusunun 100.000 Saatlik Sürünme Kopma Ömrünü Yönetir

Yüksek Sıcaklıkta Hizmet Ömrü için Tasarım Stresinin Esasları

500 derecelik iç metal sıcaklıklarına sahip yüksek sıcaklıkta hava veya gaz ısıtma uygulamalarında ve daha düşük sıcaklıktaki sıvılara daldırılmış kılıfların iç duvarında kullanılan 316 paslanmaz çelik kılıflı elektrikli ısıtma tüpleri için, 100.000 saatlik sürünme kopma ömrü için izin verilen maksimum çember gerilimi önemli bir tasarım parametresidir. Oda sıcaklığındaki bir tasarım için, akma mukavemeti izin verilen gerilimin temelini oluştururken, sürünme sınırlı çalışma için yüksek sıcaklıktaki bir tasarım için gerilim seviyeleri, bileşenin tasarım ömrü boyunca sürünme kavitasyonu ve tane sınırı çatlaması nedeniyle kırılmayacağı şekildedir. 500 derecede 316 paslanmaz çelik için, 100.000 saatte (yaklaşık 11,4 yıllık sürekli çalışma) kopmaya neden olan ortalama gerilim, spesifik ısı kimyasına ve tane boyutuna bağlı olarak yaklaşık 120-140 MPa'dır. İzin verilen maksimum çember gerilimi 80-95 MPa'dır ve sürünme kopmasına karşı tasarım için genel güvenlik faktörü 1,5'tir (ASME Bölüm VIII Bölüm 2 yöntemi). Makale, 450 derece ila 650 derece sıcaklık aralığında 316 ısıtıcı kılıfı için akma kopma geriliminin niceliksel verilerini ve yüksek sıcaklıktaki hizmet için güvenli çalışma basıncını ve duvar kalınlığını hesaplamaya yönelik bir metodoloji sağlar.

Sürünme Kopma Mekanizması ve Larson-Miller Kriteri

316 paslanmaz çelik için sürünme kopması, tane sınırı kavitasyonu ve çatlağın yayılmasıyla meydana gelir. Kopmaya kadar geçen süre, Arrhenius ilişkisine göre sıcaklıkla ve ters kuvvet yasasına göre stresle değişir. Larson-Miller parametresi (LMP=T × (C + log t_r), burada T, Kelvin cinsinden mutlak sıcaklıktır, t_r, saat cinsinden kopma süresidir ve C, ostenitik paslanmaz çelikler için genellikle 15-20 olan bir malzeme sabitidir), kısa vadeli sürünme testi verilerini uzatılmış hizmet ömrüne göre tahmin etmenin bir yoludur. Normal ortalama 130 MPa ile 110 MPa (alt sınır, %95 güven) ile 150 MPa (üst sınır) arasında 500 derecede 100.000 saatlik sürünme kopma mukavemetini belirlemek için 316 üzerinde kapsamlı testler yapılmıştır. 100.000 saatte kopma mukavemeti 550 derecede 60-90 MPa'dır. 600 derecede ise 30-50 MPa'ya düşer. 650 derecede 100.000 saatlik kopma mukavemeti sadece 15-25 MPa'dır. Bu, çoğu ısıtıcı tasarımında iç basınçtan kaynaklanan çember geriliminin altındadır ve duvar ne kadar kalın olursa olsun 316'nın 650 derecede 100.000 saatlik ömre ulaşamayacağı anlamına gelir, çünkü akma kopması kaçınılmaz olacaktır. Pratik sonuç, 100.000 saat (11,4 yıl) sürekli hizmet için üretilen 316 kılıflı ısıtıcının, iç basınca bağlı olarak maksimum çalışma kılıf sıcaklığı 530-550 dereceyi geçmeyecek şekilde inşa edilmesi gerektiğidir.

İzin Verilen Çember Stresi, 100.000 Saatlik Ömürle Ölçülmüştür.

Tablo 4.3, 450 derece ile 650 derece arasındaki sıcaklıklarda 100.000 saatlik sürünme kopma ömrüne sahip 316 paslanmaz çelik ısıtıcı boru için izin verilen maksimum çember gerilimini göstermektedir. Üç gerilim değeri sağlanır; yani kopmaya kadar olan ortalama gerilim (%50 hayatta kalma), alt sınır gerilimi (%95 hayatta kalma, API/ASME tasarım esası) ve önerilen tasarım izin verilen gerilimi (koda bağlı olarak 1,25-1,5 güvenlik faktörüne bölünen alt sınır. Belirtilen kabul edilebilir gerilimi kullanan ısıtıcının tasarımı için, maksimum iç basınç, ince duvar çember gerilimi formülünden hesaplanmalıdır: P max=2 t σ izin ver / D t duvar kalınlığı, D ortalaması ise ortalama çaptır.

Sıcaklık (derece) Ortalama Kopma Stresi (MPa) 100.000 saat Alt Sınır (%95 Hayatta Kalma) Kopma Stresi (MPa) Önerilen Tasarım İzin Verilebilir Stres (MPa) (alt sınırda SF=1.4) 100.000 saatlik Ömür için Maksimum Çember Stresi (MPa) Tipik Uygulama Sınırı 450 210-250 180-210 130-150 130 Sınırsız hizmet 475 170-200 145-175 100-125 110 Çoğu ısıtıcı için güvenli
500 120-150 100-130 70-95 85 Standart tasarım temeli 525 85-110 70-95 50-70 60 Azaltılmış tasarım gereklidir 550 60-80 45-65 30-45 40 Yalnızca kısa-ömür veya düşük-stres 575 40-55 30-45 20-30 25 Sürekli hizmet için marjinal 600 25-40 18-30 12-20 15 100.000 saat için önerilmez 625 15-25 10-18 7-12 10 Uzun ömür için kabul edilemez
650 10-15 5-10 3-7 5 316 uygun değil; yükseltme alaşımı
İç Basıncı ve Duvar Kalınlığını İzin Verilen Gerilime Dönüştürme

10 mm dış çapa ve 1,5 mm duvar kalınlığına (ortalama çap 8,5 mm) sahip geleneksel bir 316 ısıtıcı kılıfı için önerilen tasarımda izin verilen çember gerilimi, 500 derecede 85 MPa'dır; bu, P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 MPa (300 bar) maksimum iç basınç verir. Bu, daldırmalı ısıtıcı servisinde mümkün olan herhangi bir basıncın çok üzerindedir ve 500 derecede sürünme kopmasının böyle bir ısıtıcı için sınırlayıcı faktör olmadığını gösterir; oksidasyon veya termal yorulma gibi diğer problemler baskın olacaktır. Büyük çaplı kılıflarda veya yüksek sıcaklıkta sürünme sınırlayıcı hale gelir. 550 derecede (izin verilen gerilim 40 MPa) 2,0 mm duvarlı (ortalama çap 18 mm) 20 mm dış çap kılıf için maksimum iç basınç yalnızca Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa'dır (89 bar). Basınçlı bir sistemdeki 550 derecelik bir ısıtıcı için bu çok az olabilir (örneğin kızgın su veya 80-100 basınçta buhar). Tasarımcı duvar kalınlığını arttırmalı, güç yoğunluğunu azaltarak sıcaklığı düşürmeli veya malzemeyi güncellemelidir.

Sürünme Kopma Dayanımını Etkileyen Faktörler

Tablodaki sürünme kopma mukavemetleri 316 tamamen tavlanmış ASTM 6-8 (30-50 m) tane boyutu içindir. Üç şey bu değerleri değiştirir. Birincisi tane büyüklüğüdür. İri taneli malzeme (ASTM 3-5, 50-80 µm), aynı sıcaklıkta ince taneli malzemeye göre %10-20 daha güçlü sürünme kopma mukavemeti gösterir çünkü tanecik sınırları baskın sürünme kavitasyon bölgeleridir ve daha iri tane boyutları, malzemenin birim hacmi başına daha az sınır ve dolayısıyla daha düşük boşluk yoğunluğu anlamına gelir. ASTM 5'in minimum tane boyutuna gitmek ilave bir marj sağlayabilir. İkinci bileşen önceden yapılan soğuk işlemdir: %10-20 soğuk işlem başlangıç ​​mukavemetini artırır, ancak gerilimin hızla serbest bırakılmasına ve 500-600 derece civarında yeniden kristalleşmeye neden olur, bu da tamamen tavlanmış malzemeye göre daha zayıf uzun vadeli sürünme mukavemetine yol açar. Tamamen tavlanmış, sürünme sınırlı servis için daha iyidir. Üçüncü nokta karbürlerin dağılımıdır. İnce intragranüler karbürlere sahip malzeme (doğru çözelti tavlamasından elde edilen), sürünme direncini artıran çökelme mukavemeti sağlar. Kaba, tane sınırındaki karbürler (hassaslaşma), karbürler oyuklar için çekirdeklenme yerleri olarak hareket ettiğinden sürünme mukavemetini azaltır. Çözeltide tavlanmış bir mikro yapı içindeki ince intragranüler karbürler, sürünme kısıtlı uygulamalar için gereklidir

Sürünme Ömrü Hesaplamaları İçin Kılıf Sıcaklığının Pratik Olarak Belirlenmesi

Hizmette olan ısıtıcının iç kılıfının sıcaklığı (çalışan ısıtıcının basınç-içeren kesitinin{- kaymasını düzenleyen iç duvardaki metal sıcaklığı), proses akışkanında ölçülen dış kılıfın sıcaklığından daha yüksektir. Duvar boyunca sıcaklık farkı ΔT=(q × t) / k'dir; burada q, ısı akışıdır (W/m2), t, duvar kalınlığıdır ve k, 316'lık termal iletkenliktir (500 derecede yaklaşık 20 W/m·K). Dış ceket sıcaklığı 90 derece ve duvar kalınlığı 1,5 mm olan tipik bir su ısıtıcısı için iç ceket sıcaklığı yalnızca 1-2 derece daha yüksektir, bu da ihmal edilebilir bir durumdur. Dış kılıf sıcaklığı 600 derece ise duvar boyunca sıcaklık düşüşü nedeniyle iç kılıf sıcaklığı 620-630 derece olabilir, bu da sürünme ömrünü büyük ölçüde azaltacaktır. Kaydedilen dış sıcaklık yerine sürünme kopma verileri kullanıldığında, hesaplanan iç duvar sıcaklığını belirlemek için ısı akısı kullanılmalıdır. Sürünme, sıvılardaki daldırmalı ısıtma uygulamalarının çoğunda ömrü sınırlayan arıza modu değildir. Dış sıcaklığın 500 derecenin üzerinde olduğu hava ve gaz ısıtması için sürünme özel olarak dikkate alınmalıdır.

Özet: Sünme Yırtılması Verilerinin 316 Isıtıcının Tasarımına Uygulanması

500 derecelik iç sıcaklığa sahip 316 paslanmaz çelik mahfazalı ısıtıcılar için, 100.000 saatlik (11,4 yıl) sürünme kopma ömrü için izin verilen maksimum çember gerilimi 85 MPa'dır (önerilen tasarıma izin verilir). Bu gerilim değeri, normal küçük çaplı kılıfların (10 mm dış çap, 1,5 mm duvar) normal servis koşullarının çok ötesinde, 300 bar'a kadar iç basınçlarla başa çıkmasına olanak tanır. 550 derecede izin verilen gerilim 40 MPa'ya ve 600 derecede 15 MPa'ya düşürülür, bu da birçok ısıtıcı tasarımı için sürünme kopma ömrünü sınırlandırır. Yüksek sıcaklıkta servis için 316 kılıfa ihtiyaç duyan mühendisler, ısı akısı ve duvar kalınlığından iç duvar sıcaklığını hesaplamalı, ardından duvar kalınlığını ve çalışma basıncını, ortaya çıkan çember gerilimi istenen hizmet ömrü için tabloda izin verilen değerleri aşmayacak şekilde seçmelidir. Burada açıklanan mimari, kayma kopma stresini sıcaklık, zaman ve güvenlik parametreleriyle ilişkilendirir; böylece müşteriler, kayma hatası olmadan 100.000 saat boyunca sürekli çalışacak 316 adet muhafazalı ısıtıcı inşa edebilir.