Com els tubs d'acer inoxidable dúplex fabricats additivament aconsegueixen perfils de gruix de paret optimitzats?

Segons el pitjor-punt de tensió, un tub d'intercanviador de calor normalment es dibuixa amb el mateix gruix de paret d'extrem a extrem. Aquesta limitació s'elimina mitjançant la fabricació additiva, que permet la impressió d'un tub d'acer inoxidable dúplex amb una paret més gruixuda a prop de la làmina de tubs, on es concentren les tensions, i una paret fina-al centre, on només és important la contenció de la pressió, esprémer fins a l'última part del rendiment tèrmic. El disseny d'intercanviadors de calor-petits i d'alta eficiència per a plataformes marítimes, plantes químiques i aplicacions aeroespacials està canviant a causa de la capacitat d'ajustar el gruix de la paret a tota la longitud del tub.

La limitació tradicional: gruix de paret constant al llarg
Els tubs tradicionals d'acer inoxidable dúplex (com el 2205 i el 2507) es fabriquen per laminació, estirat o extrusió. Aquests procediments donen lloc a tubs amb parets que tenen el mateix gruix a tot arreu. Per determinar el gruix de la paret s'utilitza la ubicació de la tensió màxima-normalment als extrems del tub, on el tub s'enrotlla o es solda a la làmina de tubs, o on els esforços de flexió són més forts-. Per tant, la secció central del tub està dissenyada-per a la contenció de la pressió pura. El pes, la despesa i la resistència tèrmica s'incrementen per l'excés de metall. Un tub de gruix uniforme redueix l'eficiència perquè la transmissió de calor a través d'una paret del tub està inversament relacionada amb el gruix (per a un material determinat i condicions de fluid).

Perfils de gruix de paret variable: la solució de fabricació additiva
La fusió làser en llit de pols (LPBF) s'utilitza en la fabricació additiva per crear dissenys òptims per a tubs d'acer inoxidable dúplex. Capa per capa, la pols fina d'acer inoxidable dúplex (com UNS S31803 o S32750) es fon selectivament mitjançant un làser d'alta potència. El procediment es basa en un model de disseny assistit per ordinador (CAD)-tridimensional-que especifica el diàmetre interior, el diàmetre exterior i les variacions dels eixos del tub. El gruix de la paret es pot canviar contínuament, en contrast amb les tècniques tradicionals.

Les tècniques d'optimització habituals consisteixen en:

Extrems més gruixuts: s'apliquen més capes de metall als primers 50-100 mm del tub prop de cada extrem, on entra en contacte amb la làmina de tubs, augmentant el gruix de la paret. Aquesta zona reforçada gestiona les elevades tensions locals derivades dels moments de rodament, expansió, vibració i flexió.

Secció mitjana més fina: el gruix mínim necessari per complir amb el codi de disseny de pressió (com la secció ASME VIII, divisió 1 o 2) s'imprimeix a la zona mitjana, que només pateix l'estrès del cèrcol per la pressió interna. En comparació amb un tub estirat tradicional del mateix material i nivell de pressió, aquest mitjà és de vegades un 30-50% més prim.

Transició gradual: per evitar la concentració d'estrès en un pas ràpid, el canvi en el gruix de la paret es redueix a una distància breu (p. ex., 20-30 mm).

El producte final és un component classificat funcionalment, amb el metall col·locat amb cura on millora la integritat mecànica i eliminat on només afegeix pes i resistència a la calor.

Transmissió de calor millorada i massa reduïda
Hi ha dos avantatges mesurables de l'enfocament de la paret variable-:

Coeficient de transferència de calor total (U) millorat: una paret del tub més prima redueix la resistència conductora en les mateixes condicions de fluid intern i extern. L'acer inoxidable dúplex té una conductivitat tèrmica d'aproximadament 15-17 W/m·K. La resistència tèrmica conductora es redueix aproximadament un 40% quan el gruix de la paret es redueix de 2,0 mm a 1,2 mm (una reducció del 40%), augmentant el valor U- total per un marge notable (normalment del 10 al 15%, depenent dels coeficients de la pel·lícula).

Reducció de pes: el centre de paret fina-d'un tub llarg (p. ex., 6 m) ocupa la major part de la seva longitud. Un tub estirat convencionalment comparable amb un gruix homogeni fet per a les mateixes càrregues finals pot pesar entre un 25 i un 40% més que un tub construït additivament. Per a plataformes offshore i aplicacions aeroespacials on cada quilogram compta, l'estalvi de pes acumulat en un paquet d'intercanviador de calor amb centenars de tubs és important.

Beneficis metal·lúrgics de la fabricació additiva per a dúplex
La microestructura produïda per LPBF d'acer inoxidable dúplex difereix significativament de la del material forjat. La solidificació extraordinàriament ràpida (taxes de refredament de fins a 10 graus/s) produeix una combinació molt fina i uniforme d'austenita i ferrita, sovint amb mides de gra en el rang micròmetre o submicròmetre. Aquesta estructura exquisida pot oferir:

major límit elàstic (normalment entre un 20 i un 30% més que els equivalents forjats a l'estat-imprès).

forta resistència a l'impacte amb un tractament tèrmic adequat.

segregació mínima d'elements d'aliatge, que redueix la possibilitat de desenvolupament de fases intermetàl·liques durant la impressió.

No obstant això, la majoria dels components dúplex construïts de manera additiva necessiten una solució posterior al procés-recuit i templat per obtenir el millor equilibri de fase i resistència a la corrosió. El cicle normal de tractament tèrmic és:

Escalfeu a 1050-1100 graus, depenent del grau.

Mantingueu premut durant un breu període de temps (per exemple, 30 minuts per cada 25 mm de gruix de secció).

Per evitar la precipitació de la fase sigma i altres intermetàl·lics, apagueu ràpidament amb aigua o gas.

L'acer inoxidable dúplex produït additivament coincideix o supera la resistència a la picada (PREN > 40 per a súper dúplex) del seu homòleg forjat després d'un tractament tèrmic adequat.

L'efecte de l'acabat superficial sobre el rendiment
Hi ha dos efectes conflictius d'aquesta rugositat: