थर्मोस्टेट में 316 स्टेनलेस स्टील शीथ किस चक्रीय भार की स्थिति के तहत नियंत्रित विसर्जन हीटर में बेंड रेडियस पर थर्मल थकान क्रैकिंग विकसित करता है

बेंड रेडियस: बार-बार थर्मल विस्तार तनाव का यांत्रिक फोकस

थर्मोस्टेट नियंत्रण के तहत बार-बार ऑन-ऑफ-साइक्लिंग में संचालित 316 स्टेनलेस स्टील से घिरे विसर्जन हीटरों में यू - या एल - आकार के तत्वों का समय से पहले यांत्रिक टूटना अक्सर मोड़ त्रिज्या के पास देखा जाता है। हालाँकि, मोड़ त्रिज्या आंतरिक दबाव से घेरा तनाव, गर्म सीधे पैरों के थर्मल विस्तार से अक्षीय तनाव और घुमावदार खंड के ज्यामितीय बाधा से झुकने वाले तनाव के कारण जटिल बहुअक्षीय तनाव के अधीन है, म्यान के सीधे वर्गों के विपरीत, जो हीटिंग और शीतलन चक्र के दौरान अपनी लंबाई के साथ स्वतंत्र रूप से विस्तार और अनुबंध करते हैं। क्रीप रिलैक्सेशन 316 स्टेनलेस स्टील में स्थिर निरंतर संचालन के दौरान इन तनावों का ख्याल रखता है और कोई दरार नहीं होती है। चक्रीय संचालन में (प्रति दिन 5 से अधिक 10 पूर्ण ताप चक्र) बार-बार लोचदार तनाव से थकान क्षति का संचय होता है। यह आलेख चक्र गणना, तापमान अंतर, मोड़ ज्यामिति और फ्रैक्चर दीक्षा जीवन के बीच संबंध को निर्धारित करता है, और उच्च-चक्र अनुप्रयोगों के लिए एक विनिर्देश ढांचा प्रदान करता है।

झुकने वाले क्षेत्र में थर्मल विस्तार बेमेल का तंत्र

जैसा कि यू - आकार के 316 म्यान को परिवेश (20 डिग्री) से ऑपरेटिंग सतह के तापमान (आमतौर पर जलीय सेवा के लिए 80 - 150 डिग्री या वायु/गैस हीटिंग के लिए 300 - 500 डिग्री) तक गर्म किया जाता है, प्रत्येक सीधा पैर 316 स्टेनलेस स्टील के लिए थर्मल विस्तार के गुणांक के अनुसार अनुदैर्ध्य रूप से विस्तारित होगा, लगभग {{6 }} / डिग्री। 120 डिग्री (पावर-अप पर परिवेश से ΔT {{10 }} डिग्री) के सतह तापमान के साथ 500 मिमी सीधे पैर की लंबाई वाले हीटर पर प्रत्येक पैर 0.85 मिमी फैलता है। इस विस्तार को सक्षम करने के लिए मोड़ त्रिज्या, आमतौर पर 20-40 मिमी (ट्यूब के बाहरी व्यास का 1.5 से 3 गुना) तक खिंचना चाहिए। हालाँकि, मोड़ क्षेत्र भी झुकने के बाद हीटर का सबसे मोटी दीवार वाला हिस्सा है (बाहरी त्रिज्या कुछ पतली हो जाती है और आंतरिक त्रिज्या मोटी हो जाती है) और एक जटिल तनाव वितरण उत्पन्न करता है। सीधे पैरों के थर्मल विस्तार से मोड़ के आंतरिक त्रिज्या पर हीटिंग के दौरान संपीड़न तनाव होता है। बाहरी त्रिज्या पर तन्य तनाव उत्पन्न होता है। मोड़ के बाहरी फाइबर पर अधिकतम तन्य तनाव तीन चर का एक कार्य है: तापमान अंतर (ΔT), सीधे पैर की लंबाई (L) और मोड़ की त्रिज्या (R)। बीम झुकने के सिद्धांत से मार्गदर्शक सन्निकटन, अधिकतम चक्रीय तनाव देता है, ε=ΔTL/2R (1) जहां दिए गए उदाहरण के लिए=17×10−6, ΔT=100 डिग्री, L=500 मिमी और R=30 मिमी है, बाहरी मोड़ त्रिज्या पर गणना की गई चक्रीय तनाव लगभग 0.0014 (0.14) है %). यह मान 10⁷ चक्रों के लिए लगभग 0.2-0.3% तनाव की थकान सीमा के साथ एनील्ड 316 स्टेनलेस स्टील के लिए सुरक्षित है। हालाँकि, यदि ΔT 300 डिग्री तक बढ़ जाता है (हवा के ताप में शीथ तापमान 320 डिग्री सामान्य है), तो तनाव 0.42% है जो थकान सीमा से ऊपर है और फ्रैक्चर शुरू होने से पहले चक्र जीवन लगभग 10,000-20,000 चक्र तक सीमित है।

झुकने के कारण ठंडा काम करना और थकान वाले जीवन में कमी पर इसका प्रभाव

यू-ट्यूब या एल-आकार के हीटर बनाने के लिए यांत्रिक झुकने की तकनीक में मोड़ क्षेत्र में, विशेष रूप से बाहरी त्रिज्या पर काफी ठंडा काम शामिल होता है। 2.0 के मोड़ अनुपात आर/डी (ट्यूब के बाहरी व्यास के लिए मोड़ त्रिज्या) पर, बाहरी फाइबर को बनाने की प्रक्रिया में ~ 25 - 30% का झुकने का तनाव झेलना पड़ता है, जो 20 - 25% के ठंडे काम के स्तर के अनुरूप होता है। यह ठंडा उपचार 316 स्टेनलेस स्टील की उपज शक्ति को लगभग 205 एमपीए (एनील्ड) से बढ़ाकर 350{26}}450 एमपीए कर देता है, लेकिन सामग्री की लचीलापन और थकान प्रतिरोध को काफी हद तक कम कर देता है। 10 {सुपर 7} चक्रों में 316 काम करने वाली 20% ठंड की थकान सीमा लगभग 0.10-0.15% तनाव तक कम हो जाती है, जो एनील्ड सामग्री के आधे से भी कम है। ऊपर हवा को गर्म करने के मामले का जिक्र करते हुए (ΔT=300 डिग्री, एल=500 मिमी, आर {{21 }} मिमी, तनाव {{22%) %), कोल्ड-वर्क्ड मोड़ 1000 चक्रों से कम में विफल हो जाएगा। व्यावहारिक परिणाम यह है कि पोस्ट-बेंड एनीलिंग के बिना एनील्ड टयूबिंग बेंट से बने हीटर 1000 से अधिक तापमान चक्र वाले किसी भी अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त नहीं हैं। उच्च चक्र अनुप्रयोगों के लिए (उदाहरण के लिए टैंक हीटर, प्रति दिन 20 बार साइकिल चलाना, प्रति वर्ष 300 दिन, 5 वर्षों के लिए {{32%),000 चक्र) मोड़ क्षेत्र की थकान विशेषताओं को बहाल करने के लिए पोस्ट-बेंड पूर्ण एनीलिंग की आवश्यकता होती है।

ऑपरेटिंग पैरामीटर्स और बेंड ज्योमेट्री के आधार पर साइकिलों की सुरक्षित संख्या का मूल्यांकन

The permitted number of thermal cycles for a 316 sheath bend to crack initiation is a Coffin-Manson relationship, the log of cycles to failure being inversely related to the log of cyclic plastic strain. The limitations shown in the table below have been developed by combining field failure data with laboratory fatigue testing on 316 tubing with varied bend radii and cold work conditions. Two important criteria are identified: For applications with less than 1000 total cycles during the life of the heater (typical of continuous processes that run for weeks or months without shutdown), even moderate cold-worked bends survive reliably. For applications beyond 10,000 cycles (multiple on-off cycles per day over several years), only thoroughly annealed bends with R/D >= 3.0 उचित थकान प्रतिरोध प्रदान करता है। 100,000 से अधिक चक्रों वाले अनुप्रयोगों में (तीव्र {{4}साइकलिंग प्रणाली जैसे बिंदु{5}में से {{6}उपयोग वाले गर्म पानी के हीटर), विशिष्ट डिजाइन समाधान जैसे कि सीधे अन{7}बेंट हीटर, लचीले कनेक्शन या ΔT को कम करने के लिए कम बिजली घनत्व आवश्यक हैं।

बेंड रेडियस अनुपात (आर/डी) पोस्ट-बेंड हीट ट्रीटमेंट अधिकतम शीथ ΔT प्रति चक्र (डिग्री) क्रैक आरंभ करने के लिए अनुमानित चक्र (10% विफल) सुरक्षित सेवा के लिए अनुशंसित अधिकतम चक्र विशिष्ट अनुप्रयोग उपयुक्तता
1.5 कोई नहीं (जैसा कि - मुड़ा हुआ) 50 50, 000 10,000 कम चक्र, गर्म पानी (छोटा ΔT)
1.5 कोई नहीं (जैसा कि - मुड़ा हुआ) 150 2, 000 1,000 मानक जल तापन, प्रतिबंधित साइकिलिंग
1.5 कोई नहीं (जैसा कि - मुड़ा हुआ) 300 200 100 वायु तापन; बार-बार साइकिल चलाने के लिए नहीं
2.0 None (as-bent) 50 >100,000 20,000 मध्यम गर्म जल चक्र के लिए अच्छा है
2.0 कोई नहीं (जैसा कि - मुड़ा हुआ) 150 5, 000 2,000 रुक-रुक कर जल शुल्क के लिए स्वीकार्य
2.0 कोई नहीं (जैसा कि - मुड़ा हुआ) 300 500 200 हवा के लिए सीमांत; नियमित साइकिल चलाने से बचें
3.0 कोई नहीं (जैसा कि मुड़ा हुआ है) 150 15, 000 5,000 उचित, उच्च चक्रों के लिए एनील्ड पसंद किया जाता है
3.0 Full solution anneal (1040 °C + quench) 150 >200,000 50,000उच्च चक्र जल तापन उत्कृष्ट
3.0 Full solution anneal after bending 300 20,000 10,000Suitable for high-cycle air/gas heating 4.0 or more (sweep bend) Full solution anneal 300 >100,000 30,000 किसी भी उच्च{3}}चक्र, उच्च-ΔT सेवा के लिए सर्वोत्तम
थर्मल थकान क्रैकिंग और विफलता विश्लेषण के फ़ील्ड संकेतक

मोड़ त्रिज्या पर थर्मल थकान दरारों में विशेष गुण होते हैं जो उन्हें अन्य प्रकार की विफलता तंत्रों जैसे तनाव संक्षारण क्रैकिंग (एससीसी) या पिटिंग से अलग करते हैं। थकान दरारें आमतौर पर परिधीय (ट्यूब अक्ष के लंबवत) होती हैं और मोड़ के बाहरी त्रिज्या पर होती हैं, ठीक उसी जगह जहां चक्रीय तन्यता तनाव सबसे अधिक होता है। वे बाहरी सतह पर शुरू होते हैं और भीतर की ओर बढ़ते हैं, अक्सर 2{10}}5 मिमी की दूरी पर कई समानांतर दरारों में। फ्रैक्चर सतह पर आवर्धन पर समुद्र तट के निशान या धारियाँ कई चक्रों में प्रगतिशील दरार प्रसार का संकेत देती हैं। एससीसी फ्रैक्चर आमतौर पर शाखाओं वाले, इंटरग्रेन्युलर (उच्च तापमान पर 316 में ट्रांसग्रेन्युलर) और क्लोराइड एक्सपोज़र से संबंधित होते हैं। पिटिंग विफलताएं पृथक छिद्रों को प्रदर्शित करती हैं, कोई दरार नहीं। ऊपर दी गई तालिका में मोड़ पर विफल हीटर के लिए परिचालन चक्र गणना और तापमान अंतर की तुलना करें। यदि एप्लिकेशन पैरामीटर सुरक्षित क्षेत्र में थे, लेकिन फिर भी विफलता हुई, तो सबसे संभावित कारण हैं: बहुत तंग मोड़ (आर/डी <2.0), पोस्ट-बेंड एनीलिंग की कमी, या मोड़ की स्थिति में टयूबिंग में एक पायदान या सीम जैसी विनिर्माण दोष। उन खरीदारों के लिए गुणवत्ता आश्वासन प्रदान किया जाता है, जिन्हें चक्रीय उपयोग के लिए हीटर की आवश्यकता होती है, जिसमें झुकने और एनीलिंग के बाद मोड़ क्षेत्र के रेडियोग्राफिक या डाई प्रवेश निरीक्षण की आवश्यकता होती है, जिसमें सतह पर कोई दरार या सिलवट नहीं होने की स्वीकृति मानदंड होता है।

मोड़ पर तापीय तनाव को कम करने की रणनीतियाँ

Three design modifications are used to lower the cyclic strain when the required cycle count exceeds the allowable limits for a given bend shape. The first and most effective is to increase the bend radius to R/D >= 4.0 और मोड़ को स्वीप में बदल दें जिसके परिणामस्वरूप थर्मल विस्तार के दौरान कम तनाव होता है। दूसरा, हीटर को फ्लोटिंग या स्लाइडिंग फ्लैंज के साथ स्थापित करना है, ताकि दोनों सिरों को सुरक्षित रूप से पकड़ने के बजाय, हीटिंग और कूलिंग के दौरान पूरा हीटर अक्षीय रूप से स्थानांतरित हो सके। स्ट्रेन समीकरण में प्रभावी एल एक हीटर द्वारा आधे से कम हो जाता है जिसका एक सिरा स्थिर होता है और दूसरा सिरा स्लाइडिंग सील के माध्यम से चलने के लिए स्वतंत्र होता है (विस्तार केवल निश्चित बिंदु से बाहर की ओर होता है)। तीसरी तकनीक बिजली घनत्व को कम करना है और इसलिए सामान्य ऑपरेशन के तहत शीथ तापमान अंतर (ΔT) को कम करना है। बिजली घनत्व को 8 डब्लू/सेमी2 से 4 डब्लू/सेमी2 तक कम करने से आमतौर पर म्यान का तापमान 120 डिग्री से 90 डिग्री, ΔT 100 डिग्री से 70 डिग्री और पानी गर्म करने के लिए आनुपातिक रूप से चक्रीय तनाव कम हो जाता है। थकान संबंधी विफलताओं का अनुभव करने वाले मौजूदा इंस्टॉलेशन के लिए, एक नरम - स्टार्ट कंट्रोलर के साथ रेट्रोफिटिंग जो 5 - 10 सेकंड से अधिक वोल्टेज रैंप करता है, थर्मल शॉक को कम करता है लेकिन प्रत्येक चक्र में पूर्ण ΔT से संचयी तनाव को पूरी तरह से खत्म नहीं करता है-केवल सेटपॉइंट तापमान या चक्र आवृत्ति को कम करने से महत्वपूर्ण जीवन विस्तार मिलता है।

निष्कर्ष में: विश्वसनीय सेवा के लिए साइकिल गणना के लिए बेंड डिज़ाइन का समन्वय करें

The bend radius of a U-shaped or L-shaped 316 stainless steel immersion heater is not a geometric afterthought, it is the mechanical component most susceptible to thermal fatigue under cyclic operation. For applications with fewer than 5 cycles per day (less than 2,000 cycles during a 2-year life), standard bends with R/D = 2.0 and no post-bend annealing are suitable for adequate water heating dependability. For high cycle applications (>20 cycles/day, >15,000 cycles in 2 years), post-bending annealing and R/D >प्रारंभिक फ्रैक्चर गठन से बचने के लिए=3.0 की आवश्यकता होती है। तीव्र {{3}साइक्लिंग सिस्टम या उच्च तापमान वायु तापन के लिए पूर्ण समाधान एनीलिंग और फ्लोटिंग माउंटिंग के साथ 4.0 से अधिक या उसके बराबर आर/डी निर्दिष्ट करें। चक्रीय उपयोग के लिए, इंजीनियरों को हीटर खरीदते समय मोड़ त्रिज्या अनुपात और मोड़ के बाद के ताप उपचार के प्रमाणीकरण की आवश्यकता होनी चाहिए। यहां वर्णित वास्तुकला के साथ, मोड़ के आकार, ठंड की स्थिति, और अपेक्षित थकान जीवन के साथ चक्र गणना के बीच एक संबंध प्राप्त किया जाता है, जैसे कि खरीदार 316 संलग्न हीटर निर्दिष्ट कर सकते हैं जो मोड़ पर दरार के बिना आवश्यक संख्या में थर्मल चक्रों को सहन करते हैं।