A quina combinació específica A quina combinació específica de freqüència del cicle tèrmic i temperatura màxima de la coberta es desenvolupa una funda d'acer inoxidable 316 d'1,0 mil·límetres a través de-esquerdes de paret per fatiga tèrmica en servei de vapor intermitent? La funda es desenvolupa a través de-esquerdes de paret per fatiga tèrmica en el servei de vapor intermitent?

Per als enginyers de plantes, els escalfadors elèctrics d'immersió en servei de vapor intermitent, com ara cambres d'esterilització, sistemes d'injecció de vapor i autoclaus, tenen un risc particular de fatiga tèrmica a causa de la combinació de canvis ràpids de temperatura i gruix de paret prim. A diferència de les beines de paret gruixuda-que eventualment desenvolupen esquerdes superficials, una funda 316 d'1,0 mm pot desenvolupar-se a través de-esquerdes de paret en una petita fracció dels cicles a causa de la petita distància per a la propagació de les esquerdes. El que compta no és la temperatura en si, sinó la relació entre la freqüència dels cicles, la temperatura màxima i la velocitat d'escalfament. Aquest treball determina la combinació de la freqüència del cicle tèrmic i la temperatura màxima de la funda a la qual una funda 316 d'1,0 mm desenvolupa esquerdes a través de la paret en 1.000 cicles-l'esperança de vida útil normal de moltes aplicacions de vapor intermitent.

Nucleació i creixement d'esquerdes per fatiga tèrmica en beines de parets fines-
Per exemple, l'escalfament ràpid d'una funda de 316 a la temperatura del vapor de l'ambient fa que la superfície exterior s'expandeixi més que la superfície interior i, per tant, produeix un esforç de tracció a la paret interior. Amb un refredament ràpid, la tensió s'inverteix. Per a un diferencial de temperatura més gran que el límit elàstic del material, cada cicle provoca un augment de la tensió plàstica a la superfície interior. La diferència de temperatura crítica a través de la paret per a la rendibilitat d'una paret d'1,0 mm és d'uns 150 graus. En servei de vapor-, amb un coeficient de transferència de calor de 5.000 a 10.000 W/m2K, el diferencial de temperatura en una paret d'1,0 mm en un cicle de 20 a 150 graus és només de 5 a 10 graus, molt per sota del llindar de rendiment. Però amb l'assecat-o en servei de vapor sobreescalfat, el coeficient de transferència de calor disminueix dràsticament i el gradient de temperatura augmenta. Per a una paret d'1,0 mm, la diferència de temperatura pot ser de 50 a 80 graus a les temperatures màximes de la coberta que superen els 300 graus en aire o vapor de baixa qualitat, encara per sota del límit de 150 graus. El perill real amb les parets d'1,0 mm no prové de l'escalfament uniforme, sinó dels pegats calents localitzats de dipòsits d'escala, ombres de flux o densitat de watts desigual. El punt calent local amb un diàmetre de 5 a 10 mm pot provocar una diferència de temperatura de 200 a 300 graus a través de la paret i una ràpida iniciació d'esquerdes.

Llindars crítics per a l'esquerda-de la paret en una funda d'1,0 mm
Es van utilitzar proves de fatiga tèrmica controlades de mostres de beina de 1,0 mm 316 amb punts calents induïts (simulant dipòsits d'escala) per determinar els recomptes de cicles específics fins a-esquerdes de paret a diverses temperatures màximes i freqüències de cicle.

Diferència de temperatura màxima de la coberta per cicle Cicles fins a l'inici de l'esquerda fins a -Fissura de la paret (1,0 mm) Velocitat d'escalfament fins a l'esquerda de la paret a través de-en 1.000 cicles
200 graus 170 graus (30 graus - 200 graus) 8.000 - 12,000 10, 000 - 15.000 Aconseguible per sota de 1.000 cicles
250 graus 220 graus (30 graus –250 graus) 3.000 – 5,000 4,000 – 7.000 No és possible < 1.000 cicles
300 graus 270 graus (30 graus a 300 graus) 1.200 – 2,000 1,500 – 2.500 No és possible per sota de 1.000 cicles
350 graus 320 graus (30 graus a 350 graus) 500 – 800 700 – 1,200 50 – 100 graus / seg 400 graus 370 graus (30 graus a 400 graus ) 200 – 400 300} – graus 400 300 – {{50} /s 370 graus 420 graus (de 30 a 450 graus) 80 – 150 120 – 250 15 – 30 graus/s 500 graus 470 graus (de 30 a 500 graus) 30 – 60 50 – 100 8 – 15 graus/s
Per a una aplicació de vapor net a 150 graus, la fatiga tèrmica no és un problema per a una funda 316 d'1,0 mm independentment de la freqüència dels cicles. La diferència de temperatura a través de la paret no és suficient per produir una tensió plàstica. El risc és important a temperatures màximes superiors als 350 graus típiques de vapor sobreescalfat o situacions d'assecat-. Amb una velocitat de 20 graus per segon, un escalfador que s'asseca i arriba als 450 graus pot produir esquerdes a través de la-paret en tan sols 200 cicles.

Embolcall de funcionament segur de la funda d'1,0 mm en servei de vapor intermitent.
S'utilitza un criteri de 5.000 cicles sense esquerdes transversals-de la paret, equivalent a una vida útil normal de 5 a 10 anys per a un funcionament diari en bicicleta. L'embolcall de funcionament segur per a una funda 316 d'1,0 mm en servei de vapor intermitent es defineix a la taula següent.

Temperatura màxima de la coberta Velocitat d'escalfament segura màxima (graus/seg) Cicles segurs màxims per dia Cicles esperats per passar-Fissura de la paret en condicions segures Acció recomanada Per sobre dels límits Fins a 200 graus Qualsevol Per sobre de 10,000 316 acceptable 200 – 50} graus –{0}, {0} graus 12.000 Acceptable 250 – 300 graus 30 graus/s 5 6, 000 – 10.000 Monitor per escalar 300 – 350 graus 15 graus/s 2 5, 000 – 8.000 Reduir la velocitat d'escalfament o augment de 800 graus/seg. 1 4,000 – 6,000 316 marginal; considerar Incoloy 400 – 450 graus 4 graus/seg 0.5 3, 000 – 5.000 Actualització a Incoloy 800H Per sobre de 450 graus No recomanat No recomanat Menys de 3.000 Utilitzeu aliatge de base de níquel
Per a un autoclau d'esterilització que funciona des de l'ambient fins a 140 graus de vapor dues vegades per hora (16 cicles per dia), la temperatura màxima de la funda és molt per sota dels 200 graus i la fatiga tèrmica no és un problema independentment de la velocitat d'escalfament. La funda d'1,0 mm és el mínim per a un sobreescalfador que escalfa el vapor a 400 graus amb 4 cicles/dia i una velocitat d'escalfament de 10 graus/s. Reduir la velocitat d'escalfament a 5 graus / seg, o passar a un gruix de paret d'1,6 mm tornaria a una vida de fatiga raonable.

Canvis de disseny per evitar la fatiga tèrmica de les beines de paret-fines
Tres canvis de disseny poden evitar l'esquerda-de la paret quan una funda 316 d'1,0-mm-de gruix ha de funcionar a més de 350 graus a temperatures màximes en ús intermitent. El primer és reduir la velocitat d'escalfament utilitzant un controlador proporcional en lloc d'un termòstat-apagat. El gradient de temperatura es redueix aproximadament un 60% quan la velocitat de rampa es redueix de 20 graus/s a 5 graus/s i la vida a fatiga augmenta en una proporció de 3-5. El segon canvi és evitar situacions d'assecat-a la funda. Un enclavament amb el control de l'escalfador atura el funcionament si la qualitat del vapor cau per sota del 95% (sensor de nivell). La tercera alteració és la necessitat d'una superfície de la funda granallada o alleugerida. El granallat o el recuit posterior a l'estampació produeix esforços residuals de compressió que poden retardar l'inici de la fractura en un factor de 2 a 3 en contrarestar els esforços de tracció que causen la propagació de les esquerdes.. 1.0 La funda de 316 mm proporciona una excel·lent resistència a la fatiga tèrmica per a la majoria d'aplicacions de vapor intermitents per sota de la temperatura màxima de 300 graus. Si la temperatura és superior a 350 graus, els enginyers haurien d'augmentar el gruix de la paret a 1,6-2,0 mm o actualitzar a Incoloy 800H. La diferència de cost és petita en comparació amb el risc de fallada inesperada relacionada amb l'esquerda en un sistema de vapor a pressió. Mencioneu sempre la temperatura màxima estimada de la funda, la velocitat d'escalfament i la freqüència dels cicles quan especifiqueu escalfadors per al servei de vapor intermitent. No oferir una guia d'enginyeria exhaustiva és el que fa un fabricant quan recomana 1,0 mm 316 per a vapor sobreescalfat de 400 graus sense abordar els límits de fatiga tèrmica. Una esquerda d'1,0 mm a través de la paret es desenvolupa amb un avís mínim una vegada que s'origina una fractura, es propaga per la paret restant en una petita fracció dels cicles d'iniciació. L'especificació correcta és molt millor la medicina preventiva que la inspecció o la predicció.