Millä erityisellä lämpötilan ja vetojännityksen yhdistelmällä 316 litran lämmittimen vaippa siirtyy virumisrepeämisestä väsymiseen-dominoiva vika 1 Hz:n syklisessä kuormituksessa (10 000 000 sykliä)

Tärinä korkea{0}}syklin väsymisraja lämmitinsovelluksiin

316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating in high vibration environments (e.g., downstream of pumps, in flowing fluids with vortex shedding, on mobile equipment, or in systems with pressure pulsations) under cyclic mechanical loading undergo a transition from pure creep rupture (time-dependent, temperature-controlled) to fatigue-dominated failure (cycle-dependent, stress-controlled) at a critical combination of temperature and applied alternating stress. At 1Hz loading (typical for flow induced vibration or pump pulsation) the transition depends on temperature. At room temperature, 316L has an endurance limit of around 200-250 MPa (stress range) at 10⁷ cycles. The endurance limit at 400°C is reduced to 150-200 MPa. At 550°C it further decreases to 100-150 MPa. The endurance limit at 600°C is 60 to 100 MPa. At temperatures above 650°C, the material cannot withstand 10 7 cycles at any tension >20-30 MPa, since creep prevails and produces rupture before 10 7 cycles, irrespective of the stress level. This paper quantifies the creep to fatigue failure mode transition for 316L heater sheaths under high cycle (>10 {sup 6} sykliä) latausta.

Virumisen ja väsymisen vuorovaikutusmekanismi

Korkeammissa lämpötiloissa väsymys ja viruminen vaikuttavat toisiinsa. Puhtaassa väsymyksessä vauriot kerääntyvät sykliä kohti muovina. Puhtaassa virumisessa vauriot kerääntyvät ajan funktiona stressin alaisena. Korkeissa lämpötiloissa ja matalilla taajuuksilla (1 Hz on alhainen taajuus väsymistestiä varten) jokaisella jaksolla on huippujännityksen pito (yleensä 0,5 sekuntia kolmioaallon ollessa 1 Hz). Tänä pitoaikana voi kehittyä virumiskavitaatiota. Kokonaisvaurio voidaan kirjoittaa lineaarisen vaurion summaussääntönä: (N/Nf) + (t/tr)=Dcrit, missä N on jaksojen lukumäärä, Nf on jaksojen lukumäärä vaurioitumiseen puhtaassa väsymyksessä (ei virumista), t on jännityksen aika ja tr on aika repeämiseen puhtaassa virumisessa. Vaihto tapahtuu, kun kaksi vahinkoa on yhtä suuri. Keskimääräisillä lämmittimen kuormilla (30-100 MPa) siirtymälämpötila on noin 550-600 astetta 1 Hz:n kuormituksella.

Kvantifioitu syklinen (1 Hz) vs. staattinen virumisen kesto eri lämpötiloissa

316 litran putkinäytteiden staattinen virumismurtuminen ja kontrolloitu työntö--vetoväsymistesti (R=0, kolmioaaltomuoto, 1 Hz) samalla huippujännityksellä tuottivat seuraavat jaksot epäonnistumiseen ja siirtymäkäyttäytymiseen.

Temperature (oC) Peak Stress (MPa) Cycles to Failure at 1 Hz (N_f) Time to Failure (hours) at 1 Hz Static Creep Rupture Life (hours, same stress) Dominant Failure Mode Recommended for 10^7 Cycle Life 25 250 2x10^6-5x10^6 550-1400 >100 000 väsymystä (kestävyysraja ~200 MPa)
25 200 >10⁷ >2,800 >100,000 Fatigue Yes (below endurance limit) 300 200 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 50,000-80,000 Fatigue No 300 150 >10⁷ >2,800 >80,000 Fatigue Yes 400 180 5×10⁵-1.5×10⁶ 140-420 20,000-40,000 Fatigue No 400 120 5×10⁶-8×10⁶ 1,400-2,200 30,000-50,000 Mixed Marginal 400 100 >10⁷ >2,800 40,000 Fatigue Yes 500 120 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 10,000-15,000 Mixed No 500 80 3×10⁶-6×10⁶ 830-1,670 15,000-25,000 Mixed Marginal 500 60 >10⁷ >2,800 25,000 Fatigue Yes 550 100 3×10⁵-8×10⁵ 83-220 5,000-8,000 Creep-fatigue No 550 60 1×10⁶-3×10⁶ 280-830 8,000-12,000 Mixed Marginal 550 40 >10⁷ >2,800 15,000 Creep? Yes (check) 600 80 5104-2105 14-55 2,000-4,000 Creep-dominated No 600 40 2105-5105 55-140 4,000-6,000 Creep-fatigue No 600 20 >107 >2,800 8, 000-10 000 ryömintä (mutta kestää 107 sykliä?) Marginaali
Siirtymälämpötilan taajuusriippuvuus

Alhaiset taajuudet suosivat virumisvaurioita (pidempi pito kesto huipulla) Väsymystä suosivat korkeammat taajuudet. Lämmittimien pumpun -indusoitu tärinä on usein 1 Hz.

Taajuus (Hz) Lämpötila, jossa ryömintä- ja väsymisvauriot ovat yhtä suuret (60 MPa:n huippukuormalle) Lämpötila 10^7 syklin väsymisraja (MPa, 50 % staattinen saanto)
0.1 500 aste 525 astetta 0.5 530 aste 550 astetta 1 550 aste 575 astetta 2 570 aste 600 astetta 5 600 aste 620 astetta Käytännön suosituksia lämmittimien asentamiseen tärinä{10}}alttiin

316 litran koteloidut lämmittimet,{1}}korkea tärinä. Suunnittelu- ja materiaalivaatimukset 10⁷ käyttöikää varten 1 Hz:llä.

Suurin sallittu vaihtuva jännitysamplitudi 107 syklille (MPa) Suurin käyttölämpötila ( aste ) Suositeltu lämmittimen sijoittaminenLisävärähtelyn vaimennus<200 200Standard rigid base200-300 180Rubber isolated, rigidElective 300-400 140Flexible mount (springs) Suggested
400-500 100 Tärinäneristys + joustava kiinnitys Vaaditaan 500-550 60Kelluva kiinnitys (ei kovia liitoksia) Tarvitaan + stressinpoisto
550-600 30-40 Heat transfer with flexibility for remote mountingRequired (or upgrade to 347) >600Ei sovellettavissa (ryömintäohjattu) Päivitys 347 tai 310 N/A
Johtopäätös: Väsymys vs. hiipuminen 10 7 Cycle Life

316 litran ruostumattomasta teräksestä valmistetuissa lämmittimen vaippaissa vaihto väsymisdominoinnista virumisvikaan tapahtuu noin 550-600 asteessa 40-100 MPa:n kuormilla 1 Hz:n syklisellä kuormituksella (tyypillinen pumpun tärinälle tai virtausvetoiselle pulsaatiolle). 550 asteessa sallittu vaihtoehtoinen jännitysamplitudi 10⁷ jaksolle (noin 4 kuukautta jatkuvaa värähtelyä 1 Hz:llä) on 40-60 MPa; 600 asteessa se laskee 20-40 MPa:iin. Insinöörien, jotka määrittelevät lämmittimiä korkean tärinän käyttöön yli 500 asteessa, on vähennettävä sallittuja rasituksia tai vaihdettava korkeamman lämpötilan seoksiin (347, 310). Alle 500 asteen lämpötiloissa 316L kestää 10⁷ jaksoa 100-180 MPa:n jännityksillä, jos vaihtuvaa jännitystä (värähtelyamplitudia) säädetään. Tämä tässä esitetty kehys yhdistää lämpötilan, käytetyn syklisen rasituksen ja taajuuden 10 7 syklin väsymiskestävyysrajoihin. Näin ollen ostajat voivat valita lämmittimen mallit ja asennustekniikat, jotka välttävät ennenaikaisen vian, joka johtuu syklin suuresta väsymyksestä tärinäalttiissa tilanteissa.