ما هو الحد الأقصى المسموح به من إجهاد الطوق عند درجة حرارة الغلاف الداخلي البالغة 500 درجة والذي يحكم عمر التمزق الزحف الذي يصل إلى 100000 ساعة لأنابيب السخان المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316
ترك رسالة
تصميم أساس الإجهاد لعمر الخدمة عند درجة حرارة مرتفعة
بالنسبة لأنابيب التسخين الكهربائية المغلفة بالفولاذ المقاوم للصدأ 316 المستخدمة في تطبيقات تسخين الهواء أو الغاز ذات درجة الحرارة العالية مع درجات حرارة معدنية داخلية تصل إلى 500 درجة، وفي الجدار الداخلي للأغماد المغمورة في سوائل ذات درجة حرارة منخفضة، فإن الحد الأقصى لضغط الطوق المسموح به لمدة 100000 ساعة من تمزق الزحف هو معلمة تصميم مهمة. بالنسبة لتصميم درجة حرارة الغرفة، فإن قوة الخضوع هي أساس الإجهاد المسموح به، بينما بالنسبة لتصميم درجة الحرارة المرتفعة للتشغيل المحدود للزحف، تكون مستويات الإجهاد بحيث لا يتمزق المكون بسبب التجويف الزحف وتكسير حدود الحبوب خلال فترة تصميمه. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ 316 عند 500 درجة، يبلغ متوسط الضغط الذي يسبب التمزق خلال 100000 ساعة (حوالي 11.4 سنة من التشغيل المستمر) حوالي 120-140 ميجا باسكال، اعتمادًا على كيمياء الحرارة المحددة وحجم الحبوب. الحد الأقصى المسموح به لضغط الطوق هو 80-95 ميجا باسكال مع عامل الأمان المعتاد 1.5 للتصميم ضد التمزق الزاحف (طريقة ASME القسم الثامن القسم 2). توفر المقالة بيانات كمية عن إجهاد التمزق الزاحف لـ 316 غلاف سخان في نطاق درجة الحرارة من 450 درجة إلى 650 درجة ومنهجية لحساب ضغط التشغيل الآمن وسمك الجدار لخدمة درجة حرارة مرتفعة.
آلية التمزق الزاحف ومعيار لارسون{0}}ميلر
يحدث تمزق زحف الفولاذ المقاوم للصدأ 316 عن طريق التجويف الحدودي للحبوب وانتشار الشقوق. يختلف زمن التمزق باختلاف درجة الحرارة حسب علاقة أرهينيوس ومع الإجهاد حسب قانون القوة العكسي. تعد معلمة Larson- Miller (LMP=T × (C + log t_r)، حيث T هي درجة الحرارة المطلقة بالكلفن، وt_r هي وقت التمزق بالساعات وC هو ثابت المادة عادةً 15-20 للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي) هي طريقة لاستقراء بيانات اختبار الزحف قصيرة المدى لعمر الخدمة الممتد. تم إجراء اختبارات موسعة على 316 لتحديد قوة تمزق زحف تبلغ 100000 ساعة عند 500 درجة بين 110 ميجا باسكال (الحد الأدنى، ثقة 95%) و150 ميجا باسكال (الحد الأعلى) بمتوسط عادي قدره 130 ميجا باسكال. قوة التمزق عند 100.000 ساعة هي 60-90 ميجا باسكال عند 550 درجة. وعند 600 درجة ينخفض إلى 30-50 ميجا باسكال. عند 650 درجة، تكون قوة التمزق لمدة 100000 ساعة هي 15-25 ميجا باسكال فقط. وهذا أقل من ضغط الطوق الناتج عن الضغط الداخلي في معظم تصميمات السخانات ويعني أن 316 لا يمكن أن يصل إلى 100000 ساعة من العمر عند 650 درجة بغض النظر عن مدى سمك الجدار، لأن التمزق الزاحف سيكون لا مفر منه. والنتيجة العملية هي أنه يجب إنشاء 316 سخانًا مغلفًا لمدة 100000 ساعة (11.4 سنة) من الخدمة المستمرة بحيث لا تزيد درجة حرارة غمد التشغيل القصوى عن 530-550 درجة اعتمادًا على الضغط الداخلي.
إجهاد الطوق المسموح به، محدد كميًا لمدة 100,000 ساعة من العمر.
يوضح الجدول 4.3 الحد الأقصى لضغط الطوق المسموح به لأنابيب السخان المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 مع عمر تمزق زاحف يبلغ 100000 ساعة عند درجات حرارة تتراوح بين 450 درجة و650 درجة. يتم توفير ثلاث قيم للإجهاد، على سبيل المثال، متوسط الإجهاد حتى التمزق (بقاء 50٪)، وإجهاد الحد الأدنى (بقاء 95٪، أساس تصميم API/ASME)، والإجهاد المسموح به للتصميم المقترح (الحد الأدنى مقسومًا على عامل أمان قدره 1.25-1.5 اعتمادًا على الكود. لتصميم السخان باستخدام الإجهاد المقبول المحدد، يجب حساب الحد الأقصى للضغط الداخلي من صيغة إجهاد طوق الجدار الرقيق: P max=2 t σسمح / D يعني، حيث t هو سمك الجدار، يعني D هو متوسط القطر.
درجة الحرارة (درجة) متوسط إجهاد التمزق (MPa) 100,000 ساعة الحد الأدنى (95% بقاء) إجهاد التمزق (MPa) التصميم الموصى به الإجهاد المسموح به (MPa) (SF=1.4 على الحد الأدنى) الحد الأقصى لضغط الطوق لمدة 100,000 ساعة (MPa) حد التطبيق النموذجي 450 210-250 180-210 130-150 130 خدمة غير محدودة 475 170-200 145-175 100-125 110 آمنة لمعظم السخانات
500 120-150 100-130 70-95 85 أساس التصميم القياسي 525 85-110 70-95 50-70 60 مطلوب تصميم مخفض 550 60-80 45-65 30-45 40 عمر قصير- أو ضغط منخفض- فقط 575 40-55 30-45 20-30 25 هامشي للخدمة المستمرة 600 25-40 18-30 12-20 15 غير موصى به لمدة 100000 ساعة 625 15-25 10-18 7-12 10 غير مقبول للحياة الطويلة
650 10-15 5-10 3-7 5 316 غير مناسب؛ ترقية سبيكة
تحويل الضغط الداخلي وسمك الجدار إلى الإجهاد المسموح به
التصميم الموصى به لضغط الطوق المسموح به لغمد السخان التقليدي 316 بقطر خارجي 10 مم وسمك جدار 1.5 مم (متوسط القطر 8.5 مم) هو 85 ميجا باسكال عند 500 درجة، مما يعطي أقصى ضغط داخلي يبلغ P_max=(2 1.5 85) / 8.5=30 ميجا باسكال (300 بار). وهذا أعلى بكثير من أي ضغط ممكن في خدمة السخان الغاطس، مما يدل على أن التمزق الزحف عند 500 درجة ليس العامل المقيد لمثل هذا السخان - حيث ستهيمن مشاكل أخرى مثل الأكسدة أو التعب الحراري. في الأغماد ذات القطر الكبير أو الزحف في درجات الحرارة المرتفعة يصبح الحد. بالنسبة لغمد OD مقاس 20 مم بجدار 2.0 مم (متوسط القطر 18 مم) عند 550 درجة (الضغط المسموح به 40 ميجا باسكال) فإن الحد الأقصى للضغط الداخلي هو فقط Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 ميجا باسكال (89 بار). قد يكون هذا قليلًا جدًا بالنسبة للسخان عند 550 درجة في نظام مضغوط (مثل الماء شديد السخونة أو البخار عند ضغط 80-100). يجب على المصمم زيادة سمك الجدار، أو خفض درجة الحرارة عن طريق تقليل كثافة الطاقة، أو تحديث المادة.
العوامل المؤثرة على قوة التمزق الزاحف
قوة التمزق الزاحف في الجدول هي لـ 316 ملدنًا تمامًا ASTM 6-8 (30-50 م) حجم الحبوب. ثلاثة أشياء تغير هذه القيم. الأول هو حجم الحبوب. تُظهر المواد الحبيبية الخشنة (ASTM 3-5، 50-80 ميكرومتر) قوة تمزق زحف أقوى بنسبة 10-20٪ في نفس درجة الحرارة مقارنة بالمواد ذات الحبيبات الدقيقة لأن حدود الحبوب هي مواقع التجويف الزحف السائدة وأحجام الحبوب الخشنة تعني حدودًا أقل لكل وحدة حجم من المادة وبالتالي كثافة أقل للتجويف. يمكن أن يوفر الانتقال إلى الحد الأدنى لحجم الحبوب ASTM 5 هامشًا إضافيًا. المكون الثاني هو العمل البارد السابق: يعمل العمل البارد بنسبة 10-20% على تعزيز القوة الأولية ولكنه يتسبب في إطلاق سريع للضغط وإعادة البلورة عند حوالي 500-600 درجة، مما يؤدي إلى قوة زحف أضعف على المدى الطويل من المواد الملدنة بالكامل. التلدين الكامل أفضل للخدمة المحدودة الزاحفة. النقطة الثالثة هي توزيع الكربيدات. المواد التي تحتوي على كربيدات دقيقة داخل الحبيبات (من التلدين بالمحلول الصحيح) تعطي تقوية للترسيب مما يزيد من مقاومة الزحف. تعمل الكربيدات الخشنة ذات الحدود الحبيبية (الحساسية) على تقليل قوة الزحف حيث تعمل الكربيدات كمواقع نواة للتجاويف. تعتبر الكربيدات الدقيقة داخل الحبيبات الموجودة داخل المحلول المجهري المصلد ضرورية للتطبيقات المقيدة بالزحف
التحديد العملي لدرجة حرارة الغمد لحسابات الحياة الزاحفة
درجة حرارة الغلاف الداخلي (درجة حرارة المعدن في الجدار الداخلي التي تنظم زحف الضغط-المحتوي على-المقطع العرضي) للسخان أثناء الخدمة أعلى من درجة حرارة الغلاف الخارجي المقاسة في سائل العملية. الفرق في درجة الحرارة عبر الجدار هو ΔT=(q × t) / k حيث q هو تدفق الحرارة (W/m2)، t هو سمك الجدار وk هو التوصيل الحراري 316 (حوالي 20 W/m·K عند 500 درجة). بالنسبة لسخان المياه النموذجي الذي تبلغ درجة حرارة الغلاف الخارجي فيه 90 درجة وسمك الجدار 1.5 مم، تكون درجة حرارة الغلاف الداخلي أعلى بمقدار 1-2 درجة فقط وهو أمر لا يكاد يذكر. إذا كانت درجة حرارة الغلاف الخارجي 600 درجة، فقد تكون درجة حرارة الغلاف الداخلي 620-630 درجة بسبب انخفاض درجة الحرارة عبر الجدار، مما يقلل بشكل كبير من عمر الزحف. يجب استخدام التدفق الحراري لتحديد درجة حرارة الجدار الداخلي المحسوبة عند استخدام بيانات تمزق الزحف بدلاً من درجة الحرارة الخارجية المسجلة. الزحف ليس وضع الفشل الذي يحد من عمر الخدمة في غالبية تطبيقات التسخين بالغمر في السوائل. بالنسبة لتسخين الهواء والغاز فوق درجة الحرارة الخارجية 500 درجة، يجب أن يؤخذ الزحف في الاعتبار على وجه التحديد.
ملخص: تطبيق بيانات التمزق الزاحف على تصميم 316 سخاناً
بالنسبة للسخانات المغطاة بالفولاذ المقاوم للصدأ 316 مع درجة حرارة داخلية تبلغ 500 درجة، فإن الحد الأقصى لضغط الطوق المسموح به لمدة 100000 ساعة (11.4 سنة) من تمزق الزحف هو 85 ميجا باسكال (التصميم الموصى به مسموح به). تسمح قيمة الضغط هذه للأغلفة العادية ذات القطر الصغير (قطر خارجي 10 مم، وجدار 1.5 مم) بالتعامل مع الضغوط الداخلية التي تصل إلى 300 بار - وهو ما يتجاوز بكثير ظروف الخدمة العادية. عند 550 درجة، يتم تقليل الضغط المسموح به إلى 40 ميجا باسكال وعند 600 درجة إلى 15 ميجا باسكال، مما يجعل عمر التمزق الزاحف يحد من العديد من تصميمات السخانات. يجب على المهندسين الذين يحتاجون إلى 316 غمدًا للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة حساب درجة حرارة الجدار الداخلي من تدفق الحرارة وسمك الجدار، ثم تحديد سمك الجدار وضغط التشغيل بحيث لا يتجاوز إجهاد الطوق الناتج القيم المسموح بها في الجدول لعمر الخدمة المطلوب. تربط البنية الموصوفة هنا إجهاد التمزق الزاحف مع معلمات درجة الحرارة والوقت والسلامة بحيث يمكن للعملاء إنشاء 316 سخانًا مغلفًا والتي ستعمل بشكل مستمر لمدة 100000 ساعة دون فشل الزحف.
