Mikä on kvantitatiivinen lämpöjännitys (MPa), joka kehittyy 2,5 mm paksussa titaanilämmittimen seinässä, kun vesi sammutetaan 95 asteesta 20 asteeseen?

Prosessinsinööri, joka on huolissaan paksuseinäisen titaanilämmittimen (2,5 mm) aiheuttamasta lämpöshokkivauriosta 95-asteisesta 20-asteiseen veden sammutuksen jälkeen, voi määrittää seinään syntyvän kvantitatiivisen lämpörasituksen nopeasti jäähdytetyn putken lämpöjännitysyhtälöstä. Suurin lämpöjännitys (σ th ) esiintyy sisäpinnalla (olettaen nopeaa jäähtymistä ulkopuolelta) ja se saadaan kaavalla: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) Missä E on kimmokerroin (110 GPa), on lämpölaajenemiskerroin (8,6 × {{9} ν 5 on lämpötila), T (7 muutos) (7 Δ / aste). Poissonin suhde (0,34) ja f( ) on Biot-luvusta (jäähdytysnopeudesta) riippuva geometriatekijä. Paksu{13}}seinämäiselle putkelle (t=2.5 mm, OD=25 mm), joka on sammutettu vedessä (h=1,000-5000 W/m²K, Biot-luku > 10) f( ) ≈ 1,0 (täydellinen lämpöshokki). Laskettu lämpöjännitys on σ_th=(110 × 10 9 × 8,6 × 10 6 × 75) / (1 − 0,34)=(110e9 × 6,45 e-4) / 0.66=(71 × 10 6)} Tämä jännitys on noin 39 prosenttia myötölujuudesta (275 MPa) ja 54 prosenttia enimmäisvetolujuudesta (345 MPa). Lämpöväsymishalkeilu voidaan aiheuttaa toistuvilla lämpöiskuilla (100-1000 jaksoa) myötörajan alapuolella olevilla jännityksillä.

Lämpöjännitysten muodostumismekanismi sammutuksen aikana
Jos kuuma titaaniputki upotetaan kylmään veteen, ulkopinta jäähtyy ja puristuu nopeasti. Sisäpinta, joka pysyy kuumana, vastustaa tätä supistumista, jolloin ulkopinta jännittyy ja sisäpinta puristuu (ulkopuolelta jäähdytetylle putkelle). Suurilla lämmönsiirtokertoimilla (h > 5000 W/m²K) lämpötilaero seinämän paksuudessa voi olla 30-50 astetta 2,5 mm:n seinämillä ensimmäisten sammutussekuntien aikana. Lämpöjännitys liittyy hetkelliseen lämpötilaeroon seinän poikki, ja se on suurin noin 0,3-0,5 $\\times$ $\\Delta T_{total}$. Laskettu 108 MPa on suurin jännitys vaimennuksen aikana. Jos myötöraja ylittyy, tapahtuu plastista muodonmuutosta ja jäähtymisen jälkeen jäännösvetolujuus, mikä lisää alttiutta jännityskorroosiohalkeilulle.

Terminen jännityksen kvantifiointi seinän paksuuden ja vaimennuksen vaikeusasteen funktiona
Seinän paksuus t (mm) Jäähdytys Keskilämmönsiirtokerroin h (W/m 2 K) Max ΔT seinän poikki ( aste ) Lämpöjännitys (MPa) % saannosta (275 MPa) Muovisen muodonmuutoksen vaara
1,5 hiilihapotettu vesi (mieto) 500 15 22 8% Ei mitään 1,5 Sekoitettu vesi 2,000 30 43 16% Ei mitään
1.5 Sammutus (kylmä vesi) 5,000 45 65 24% Ei mitään
2,0 Sammutus (kylmä vesi) 5,000 55 79 29 % Ei mitään 2,5 Sammutus (kylmä vesi) 5,000 65 108 39 % Ei mitään (elastinen)
3.0 Sammutus (kylmä vesi) 5,000 75 125 45 % Ei mitään (elastinen)
2.5 Jäävesi (0 astetta, ΔT=95 aste) 10,000 85 140 51% Lähellä tuottoa
3.0 Jäävesi (0 astetta) 10000 100 165 60% Muovinen muodonmuutos on todennäköinen
Skenaario{0}}perustuva lämpöshokin hallintaopas
Käyttöolosuhteet ja sammutustyyppi Seinän paksuus (mm) Lämpöjännitys (MPa) Halkeamisriski Suositeltu toimenpide:
Normaali sammutus, ilmajäähdytys (hidas) 1,5-3,0 < 10 Ei mitäänEi ongelmia
Normaali sammutus, vesihuuhtelu (lämmin) 1.5-2.0 20-40 Ei mitään
Hätäsammutus (kylmä vesi, kerta-kerta) 2.5 108 Matala (kerran-kerta) Hyväksyttävä. Tapahtuman jälkeinen tarkistus.
Hätäsammutus (jäävesi, yksittäinen tapaus) 2.5 140 Keskitasoinen (voi tuottaa paikallisesti) Poista lämmitin tutkimusta varten Vääntymistarkastus.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) vesijäähdytyksellä Pienempi jäähdytysnopeus.
Toistuva (päivittäinen) jäähdytys Kaikki > 2,0 > 100 Korkea (väsymishalkeilu) Käytä ramppijäähdytystä (ohjattu nopeus) sammutuksen sijaan.
Quench from high temperature (>150 astetta) 2,5 > 200 VakavaEi suositella. Käytä hidasta jäähdytystä tai muuta ainetta.
Vaimentamisen{0}}aiheuttaman lämpörasituksen tekninen lieventäminen
Lämpökarkaisua ei voida välttää paksuseinäisissä-titaanilämmittimissä, mutta on olemassa kolme lieventävää keinoa, jotka auttavat vähentämään lämpörasitusta. Ensimmäinen lievennys on lämpimän sammutusveden käyttö (40-50 astetta vs. 20 astetta). ΔT:n pienentäminen 75 astetta 45 asteeseen vähentää lämpöjännitystä 108 MPa:sta 65 MPa:iin (40 %:n vähennys), mikä on paljon alle tuoton. Toinen lievennys on hiilihapotetun veden käyttäminen sekoitetun veden sijaan (h=500 W/m2K 5 000 sijasta) sammutusajan pidentämiseksi. Alennettu lämmönsiirtokerroin vähentää lämpötilagradienttia seinän läpi ja vähentää jännityksen huippuarvoon 22 MPa 2,5 mm:n seinällä. Kolmas lievennys on lämmittimen esijäähdytys ilmassa ennen vesijäähdytystä. Ilmassa jäähdyttäminen 95 astetta 60 asteeseen (10 min), jota seuraa karkaisu, vähentää ΔT:tä 75 astetta 40 asteeseen ja siten lämpörasitusta.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C sammutus
2,5 mm paksu Grade 2 titaaniseinämä kokee noin 108 MPa:n kvantitatiivisen lämpörasituksen sammutettaessa 95-20-asteista vettä lämmönläpäisykertoimella 5000 W/m2K (sekoitettu vesi). Tämä jännitys on 39 % materiaalin myötölujuudesta (275 MPa) ja 54 % enimmäisvetolujuudesta (345 MPa). Jännitys on edelleen elastisella alueella, joten yksittäinen vaimennus ei aiheuta plastista muodonmuutosta tai nopeaa vikaa. Toistuvat lämpösammutukset (100-1 000 jaksoa) voivat aiheuttaa lämpöväsymishalkeamia erityisesti hitsauksissa, naarmuissa tai muissa jännityskeskittimissä. Lämmin sammutusvesi (40-50 astetta), kohtalainen jäähdytys hiilihapotussa vedessä ja esijäähdytys ilmalla ennen sammutusta on suositeltavaa lämmittimen käyttöiän pidentämiseksi. Kun tarvitaan usein karkaisua, seinämän paksuuden alentaminen 1,5-2,0 mm:iin vähentää lämpöjännitystä 65-79 MPa:iin, joka on selvästi turvallisella elastisella alueella.