Hvaða hámarks leyfilega spennuálag við 500 gráðu hitastig innra slíður stjórnar 100.000 klukkustunda skriðroflífi 316 hitararöra úr ryðfríu stáli

Hönnunarálagsgrundvöllur fyrir endingartíma við hækkuðu hitastig

Fyrir 316 hlífðar rafhitunarrör úr ryðfríu stáli sem notuð eru í háhita loft- eða gashitunarnotkun með innra málmhitastig upp á 500 gráður, og í innri vegg slíður á kafi í vökva með lægri hitastigi, er hámarks leyfileg hringspenna fyrir 100.000 klukkustunda skriðbrotslíf mikilvæg hönnunarbreytu. Fyrir stofuhitahönnun er flæðistyrkurinn grundvöllur leyfilegrar streitu en fyrir háhitahönnun fyrir skriðtakmarkaðan rekstur eru álagsstigin þannig að íhluturinn mun ekki rifna við skriðkavitation og sprungur á kornamörkum innan hönnunartíma hans. Fyrir 316 ryðfríu stáli við 500 gráður er meðalálagið sem veldur rof á 100.000 klukkustundum (um 11,4 ára samfelldri notkun) um 120-140 MPa, allt eftir sérhitaefnafræði og kornastærð. Hámarks leyfð hringspenna er 80-95 MPa með venjulegum öryggisstuðli 1,5 fyrir hönnun gegn skriðrofi (ASME Section VIII Division 2 aðferð). Greinin gefur magngreind gögn um skriðbrotsálag fyrir 316 hitaslíður á hitabilinu 450 gráður til 650 gráður og aðferðafræði til að reikna út öruggan rekstrarþrýsting og veggþykkt fyrir þjónustu við hækkað hitastig.

Creep Rupture Mechanism og Larson-Miller viðmiðunin

Fyrir 316 ryðfríu stáli sprungur á sér stað með kavitation á kornamörkum og sprunguútbreiðslu. Tími til að rofna er breytilegur eftir hitastigi í samræmi við Arrhenius tengsl og með streitu samkvæmt öfugu aflslögmáli. Larson-Miller færibreytan (LMP=T × (C + log t_r), þar sem T er alger hiti í Kelvin, t_r er roftími í klukkustundum og C er efnisfasti venjulega 15-20 fyrir austenítískt ryðfrítt stál) er leið til að framreikna skammtímaprófunargögn fyrir skriðpróf til lengri tíma. Víðtækar prófanir hafa verið gerðar á 316 til að ákvarða 100.000 klst. skriðrofstyrk við 500 gráður á milli 110 MPa (neðri mörk, 95% öryggi) og 150 MPa (efri mörk) með venjulegu meðaltali 130 MPa. Rofstyrkur við 100.000 klukkustundir er 60-90 MPa við 550 gráður. Og við 600 gráður lækkar það í 30-50 MPa. Við 650 gráður er 100.000 klukkustunda rofstyrkurinn aðeins 15-25 MPa. Þetta er undir rammaspennu frá innri þrýstingi í flestum hitarahönnunum og þýðir að 316 getur ekki náð 100.000 klukkustunda líftíma við 650 gráður, sama hversu þykkur veggurinn er, vegna þess að skriðbrot verður óumflýjanlegt. Hagnýt niðurstaðan er sú að 316 hlífðarhitarar sem smíðaðir eru fyrir 100.000 klukkustunda (11,4 ár) samfellda þjónustu verða að vera smíðaðir þannig að hámarkshitastig slíðunnar sé ekki hærra en 530-550 gráður eftir innri þrýstingi.

Leyfilegt Hoop Stress, magnmælt fyrir 100.000 klukkustunda líf.

Tafla 4.3 sýnir hámarks leyfilegt rammaálag fyrir 316 hitararör úr ryðfríu stáli með 100.000 klst. Þrjú álagsgildi eru gefin upp, þ.e. meðalálag til rofs (50% lifun), neðri mörk álags (95% lifun, API/ASME hönnunargrundvöllur) og ráðlagða hönnun leyfilegrar spennu (neðri mörk deilt með öryggisstuðli 1,25-1,5 eftir kóða. Fyrir hönnun á hitaranum ætti að nota tilgreinda innri þrýsting sem hægt er að nota út frá hámarksálagi á veggnum. formúla: P max=2 t σ leyfa / D meðaltal, þar sem t er veggþykktin, D meðaltal er meðalþvermál.

Hitastig (gráða) Meðalrofspenna (MPa) 100.000 klst. Neðri mörk (95% lifun) Rofspenna (MPa) Ráðlögð hönnun Leyfileg streita (MPa) (SF=1.4 á neðri mörkum) Hámarks hringspenna í 100.000 klst. líf (MPa)
500 120-150 100-130 70-95 85 Hefðbundin hönnunargrundvöllur 525 85-110 70-95 50-70 60 Lækkun hönnunar krafist 550 60-80 45-65 30-45 40 Stuttur-líftími eða aðeins lítil-álag 575 40-55 30-45 20-30 25 Jaðarleg fyrir samfellda þjónustu 600 25-40 18-30 12-20 15 Ekki mælt með í 100.000 klst. 625 15-25 10-18 7-12 10 Óásættanlegt fyrir langan líftíma
650 10-15 5-10 3-7 5 316 hentar ekki; uppfærsla álfelgur
Að breyta innri þrýstingi og veggþykkt í leyfilegt álag

Leyfileg hönnunarspenna fyrir hefðbundna 316 hitara með 10 mm ytra þvermál og 1,5 mm veggþykkt (meðalþvermál 8,5 mm) er 85 MPa við 500 gráður, sem gefur hámarks innri þrýsting upp á P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 bar MPa (300). Þetta er talsvert yfir öllum mögulegum þrýstingi í þjónustu við dýfahitara, sem sýnir að skriðbrot við 500 gráður er ekki takmarkandi þátturinn fyrir slíkan hitara - önnur vandamál eins og oxun eða hitaþreyta munu ráða ríkjum. Við stór þvermál slíður eða háan hita verður skrið takmarkandi. Fyrir 20 mm OD slíður með 2,0 mm vegg (meðalþvermál 18 mm) við 550 gráður (leyfilegt álag 40 MPa) er hámarks innri þrýstingur aðeins Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 bar). Þetta getur verið of lítið fyrir hitara við 550 gráður í þrýstingskerfi (td ofhitað vatn eða gufa við 80-100 þrýsting). Hönnuður ætti að auka veggþykkt, lækka hitastig með því að draga úr aflþéttleika eða uppfæra efnið.

Þættir sem hafa áhrif á styrk skriðrofs

Skriðrofstyrkur í töflu er fyrir 316 fullglöddu ASTM 6-8 (30-50 m) kornastærð. Þrennt breytir þessum gildum. Sú fyrsta er kornastærð. Grófkornað efni (ASTM 3-5, 50-80 µm) sýnir 10-20% sterkari skriðrofstyrk við sama hitastig en fínkornað efni vegna þess að kornamörk eru ríkjandi skriðholasvæði og grófari kornastærðir þýða færri mörk á hverja rúmmálseiningu efnis og þar af leiðandi lægri þéttleiki hola. Að fara í lágmarks kornastærð ASTM 5 getur veitt aukna framlegð. Annar þátturinn er fyrri kaldavinna: 10-20% kaldvinna eykur upphafsstyrk en veldur skjótri streitulosun og endurkristöllun um 500-600 gráður, sem leiðir til lakari langtíma skriðstyrks en fullglæðu efni. Að fullu glæður er betra fyrir skríða takmarkaða þjónustu. Þriðji liðurinn er dreifing karbíða. Efni með fíngerðum innankorna karbíðum (frá réttri lausnarglæðingu) styrkir úrkomu sem eykur skriðþol. Gróf, kornamörk karbíð (næmni) draga úr skriðstyrk þar sem karbíð virka sem kjarnastaðir fyrir holrúm. Fín innankorna karbíð inni í uppglöðuðri örbyggingu með lausn eru nauðsynleg fyrir skriðþröngan notkun

Hagnýt ákvörðun slíðurhita fyrir skriðlífsútreikninga

Hitastig innra slíðunnar (málmhitastigið við innri vegginn sem stjórnar skriði þversniðs-sem inniheldur þrýsting-þversniðs hitara í notkun er hærra en hitastig ytra slíðunnar sem mælt er í vinnsluvökvanum. Hitamunur yfir vegginn er ΔT=(q × t) / k þar sem q er varmaflæði (W/m2), t er veggþykkt og k er varmaleiðni 316 (um 20 W/m·K við 500 gráður). Fyrir dæmigerðan vatnshitara með ytri hitastig 90 gráður og veggþykkt 1,5 mm er innri hitastig jakka aðeins 1-2 gráðu hærra sem er hverfandi. Ef hitastig ytra slíðunnar er 600 gráður getur hitastig innra slíðunnar verið 620-630 gráður vegna hitastigsins yfir vegginn, sem mun draga verulega úr skriðlífinu. Nota skal hitaflæðið til að ákvarða útreiknaðan hitastig innra veggsins þegar gögn um skriðbrot eru notuð frekar en skráð ytra hitastig. Skrið er ekki lífstakmarkandi bilunarhamur í meirihluta dýfingarhitunar í vökva. Fyrir loft- og gashitun yfir 500 gráðu útihita verður að huga sérstaklega að skriði.

Samantekt: Notkun skriðbrotsgagna við hönnun 316 hitara

Fyrir 316 ryðfríu stáli hjúpaða hitara með innra hitastig upp á 500 gráður er hámarks leyfð hringspenna fyrir 100.000 klukkustundir (11,4 ár) skriðbrotslíf 85 MPa (ráðlögð hönnun leyfileg). Þetta álagsgildi gerir venjulegum slíðrum með litlum þvermál (10 mm OD, 1,5 mm vegg) kleift að takast á við innri þrýsting allt að 300 bör – miklu umfram venjuleg notkunarskilyrði. Við 550 gráðu leyfilegt álag minnkar það í 40 MPa og við 600 gráður í 15 MPa, sem gerir líftíma skriðrofs takmarkandi fyrir margar hönnunar hitara. Verkfræðingar sem þurfa 316 slíður fyrir háhitaþjónustu verða að reikna út innri vegghitastig út frá hitaflæði og veggþykkt, velja síðan veggþykkt og rekstrarþrýsting þannig að álagið sem myndast fari ekki yfir leyfileg gildi í töflunni fyrir æskilegan endingartíma. Arkitektúrinn sem lýst er hér tengir skriðsprengjuálag við hitastig, tíma og öryggisfæribreytur þannig að viðskiptavinir geti smíðað 316 innbyggða hitara sem virka stöðugt í 100.000 klukkustundir án skriðbilunar.