Missä korkeataajuisen lämpöpyöräilyn ja mekaanisen tärinän yhdistelmässä 2,0 millimetrin 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettu vaippa on huonompi väsymisikä verrattuna teollisuusprosessien lämmittimien 1,2 millimetrin vaippaan?

Jatkuviin teollisiin prosesseihin (ruiskuvalukoneet, lämpööljyjärjestelmät, mäntäkompressoripaketit jne.) työskentelevät sähköuppolämmittimien parissa työskentelevät luotettavuusinsinöörit ja huoltoasiantuntijat kohtaavat monimutkaisen väsymisympäristön, joka syntyy lämpösyklin ja mekaanisen tärinän vuorovaikutuksesta, jota harvoin toistetaan yksimuototesteillä. Intuitio sanelee, että mikä tahansa syklinen kuormitus saa aina ruostumattoman 316-teräksen paksumman 2,0 mm:n vaipan kestämään ohuempaa 1,2 mm:n vastineensa. Kuitenkin sovelluksissa, joissa suurtaajuinen lämpökierto tapahtuu samanaikaisesti merkittävän mekaanisen tärinän kanssa, päinvastoin voi olla totta. Suuremmat ohimenevät lämpöjännitykset syntyvät paksummassa seinässä nopeiden lämpötilanvaihteluiden ja seinän lisääntyneen jäykkyyden vuoksi siirtäen värähtelyvoimia suoremmin MgO-rajapintaan ja vastuslankaan. Tämä työ määrittää lämpösyklin taajuuden, lämpötilan vaihtelun ja tärinän amplitudin erityisen yhdistelmän, jossa 2,0 mm:n vaippa rikkoutuu ennen 1,2 mm:n vaippaa, mikä tarjoaa kvantitatiiviset kriteerit suunnittelupäätöksenteolle.

Lämpöstressin ja tärinäväsymyksen vuorovaikutusmekanismi
Artikla 28 osoitti, että puhtaan lämpösyklin väsyminen 316 vaipan vaikutuksesta johtui lämpötilagradientista seinämän paksuuden läpi. Ohimenevä gradientti 2,0 mm seinälle 20 - 250 asteen syklin aikana nopeudella 10 astetta/s on noin 220 astetta. Tämä johtaa noin 350 MPa:n lämpöjännitykseen, joka on paljon suurempi kuin myötöraja 316 korkeammassa lämpötilassa. Materiaali ei palaudu elastisesti joka syklissä ja vaurioita kertyy. 1,2 mm:n seinälle identtinen transientti tuottaa 130 asteen gradientin ja ~200 MPa jännityksen, usein myötörajan alapuolella. Siten ohuempi seinä vastaanottaa vain vähän tai ei ollenkaan plastista rasitusta lämpötilajaksoa kohden, kun taas paksumpi seinä vaurioituu vakavasti. Kun mekaaninen tärinä peittyy, vauriomekanismit ovat vuorovaikutuksessa. Pelkästään värähtely aiheuttaa vuorottelevia taivutusjänniöitä, jotka ovat pienempiä paksummassa seinämässä suuremman leikkausmoduulin vuoksi. Lämmitysvaiheen lämpöjännitykseen lisätään kuitenkin tärinäjännitys. 2,0 mm:n vaipan kohdalla, kun tuotto on jo saavutettu tai ylitetty pelkällä lämpöjännityksellä, pienenkin tärinäjännityksen lisääminen työntää materiaalia pidemmälle plastiseen tilaan, mikä lisää halkeamien alkamista. 1,2 mm vaippa on edelleen elastinen vain lämpörasituksessa. Kun värähtelyjännitystä lisätään, materiaali voi silti jäädä myöhemmäksi, jolloin vaurioituminen ei kiihdy.

Kvantitatiiviset kriteerit väsymisiän inversiolle
Kontrolloitu laboratoriotutkimus, jossa lämmitetty 316 vaippaa tärinäpöydällä ja samanaikainen lämpökierto, on osoittanut erityisolosuhteet, joissa 2,0 mm:n vaipan käyttöikä on lyhyempi kuin 1,2 mm:n vaipan. Lämpösyklitiheydellä 2 sykliä tunnissa (48 sykliä päivässä), lämpötilan heilahtelulla 20 astetta 250 asteeseen ja värähtelyamplitudilla 1g 30 Hz:llä, 2,0 mm:n seinä rikkoutuu noin 8 000 jaksolla, kun taas 1,2 mm:n seinämä ylittää 25 000 sykliä kuin ohuempi versio 3:1. seinään. 2,0 mm:n vaippa kestää 15 000 sykliä 0,5 g:n värähtelyamplitudilla, mutta silti vähemmän kuin 1,2 mm:n vaipan 25 000 jaksoa. Hyvin eristetyille asennuksille tyypillisellä 0,2 g:n tärinätasolla 2,0 mm:n vaippa saavuttaa 22 000 sykliä, mikä on lähellä ohuen seinämän suorituskykyä, mutta ei sitä parempi. Lämpösyklien taajuuksilla alle 0,5 sykliä tunnissa (12 sykliä päivässä), 2,0 mm:n vaippa tarjoaa runsaasti aikaa jaksojen välillä jännityksen vähentämiseen ja sen väsymisikä on parempi kuin 1,2 mm:n vaipan. Ratkaiseva vyöhyke, jossa paksut seinät toimivat huonommin, muodostuu siten yli 0,3 g:n suuremmista värähtelyamplitudeista ja yli 1 syklistä tunnissa lämpöjaksotaajuuksilla. Tässä järjestelmässä vikamekanismi johtuu enimmäkseen paksumman seinän lisääntyneestä lämpöjännityksestä, kun taas värähtelyjännitys toimii pikemminkin kiihdyttimenä kuin pääsyynä.

316 Vaipat - Yhdistetty latausvalintamatriisi
Seuraavassa taulukossa on ehdotettu 316 vaipan seinämän paksuutta samanaikaiseen lämpötilan kiertoon ja mekaaniseen tärinäsovelluksiin. Arvot perustuvat yhdistettyihin testituloksiin 20 - 250 asteen lämpötilavaihteluilla ja 30 Hz värähtelytaajuudella.

Lämpösyklin taajuus (sykliä/tunti) Tärinäamplitudi (g) Lämpötilan heilahtelu (aste ) Suositeltu 316 vaipan seinämän paksuussykliä epäonnistumiseen suositeltuun paksuuteen Odotettu hallitseva vikamekanismi
<0.5Any Any 2.0 – 2.5 mm 20,000 – 30,000 Vibration stress; thick wall is desirable
0,5 – 1,0 Alle 0,2 g Jopa 200 astetta c 1.6 - 2.0 mm 18,000 - 25,000 Sekoitettu mikä tahansa paksuus hyväksyttävä
0,5 – 1.0 0.2 – 0,5 g Jopa 200 astetta 1,2 – 1,6 mm 15 000 – 22 000 Lämpöjännityksen kehittyminen Suosi ohut seinämä
1,0 - 2,0 Alle 0,2 g 150 - 250 astetta 1,2 - 1,6 mm 18 000 - 25 000 Lämpöjännitys vallitseva, vältä paksuja seiniä
1,0 – 2.0 0.2 – 0,5 g 150 – 250 astetta 1,0 – 1,2 mm 15 000 – 20 000 Yhdistetty lastaus; ohut seinä tarvitaan
1,0 – 2,0 Yli 0,5 g Kaikki Ei suositella 316:n kanssa<10,000 Upgrade to Incoloy 800H or isolate vibration
Yli 2,0 Mikä tahansa Yli 150 astetta Ei suositella Alle 8 000 Liian ankara 316 lämpöpyöräilyyn
Matriisin korkean-riskin alueella-lämpösyklin taajuus on yli 1 tunnissa ja tärinä yli 0,3 g, insinööreillä on kolme sovellutusvaihtoehtoa. Ensimmäinen on eristää lämmitin tärinältä joustavilla kiinnikkeillä tai liitinkotelon etäkiinnityksellä. Tärinän vähentäminen 0,5 g:sta 0,1 g:aan voi pidentää väsymisikää kertoimella 3–5. Vaihtoehto 2 on minimoida lämpöjaksojen taajuus asettamalla vähimmäislämpötila valmiustilassa sen sijaan, että lämmitin vaihdettaisiin ympäristön lämpötilasta 150-250 asteeseen. Toinen vaihtoehto on Incoloy 800H, jolla on vähemmän lämpölaajenemista ja korkeampi{18}}lämpötilojen kestävyys ja siten parempi lämmönkestävyys ja tärinäväsymys. Insinöörien tulisi etsiä yhdistetyn kuormituksen väsymistietoja valmistajilta, kun he määrittävät lämmittimiä mäntäkompressoripaketteihin tai ruiskupuristuslaitteisiin, joissa on monia kuumennusjaksoja ja suuri tärinä. Yksimoodipalvelun tarjoaja ei voi ennustaa oikein käyttöikää todellisessa käytössä (vain lämpökierto tai vain tärinä). Ennenaikaisten vikojen kustannukset monissa sovelluksissa ovat korkeat, mikä usein edellyttää jatkuvien prosessien suunnittelemattomia pysäytyksiä. Integroituun kuormitusanalyysiin perustuva oikea seinäpaksuuden valinta on keskeinen insinöörivalinta, eikä sitä voi yksinkertaisesti korvata peukalosääntöllä, jonka mukaan paksumpi on aina parempi. Korkeataajuisen lämpösyklin ja lievän tärinän vaikeassa yhdistelmässä 1,2 mm:n 316-vaippa kestää usein kaksi kertaa tai enemmän kuin 2,0 mm:n vaippa. Ohuempi seinä on siis oikea ominaisuus pitkäikäisyyden ja lämmönkestävyyden kannalta.