Da li smanjena debljina stijenke od nehrđajućeg čelika 316 u električnim grijanim elementima za uranjanje ugrožava siguran rad u morskim okruženjima sa visokim{1}}vibracijama?

Odabir nehrđajućeg čelika 316 kao materijala omotača gotovo je instinktivan za inženjere koji specificiraju električne grijaće elemente otporne na koroziju za pomorsku i morsku primjenu. Koncentracija molibdena u ovoj klasi osigurava dokazanu otpornost na hloridnu koroziju i pukotinsku koroziju u atmosferama koje su napunjene solju i u zonama prskanja morske vode. Ali drugi manje poznat, ali jednako krucijalan kriterij je mehanička interakcija između debljine stijenke plašta i dugoročne-tolerancije na vibracije. Pomorska okruženja su po prirodi okruženja sa jakim vibracijama – od dizel agregata, harmonika osovine propelera, savijanja trupa izazvanog talasima, pomoćnih pumpnih sistema. Grejač koji radi besprekorno u statičkom hemijskom rezervoaru može da pokvari za nekoliko meseci kada se stavi na klizač motora ili pregradu plovila. U ovom radu se proučava utjecaj smanjenja debljine stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 na vijek trajanja pri produženim vibracijskim opterećenjima. Pruža matematičku osnovu za sigurno specificiranje u zahtjevnim pomorskim aplikacijama.

Debljina stijenke omotača Mehanička funkcija pod cikličkim vibracijskim naprezanjem
Debljina stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 direktno je proporcionalna njegovom modulu presjeka, geometrijskoj osobini koja je otporna na momente savijanja i ciklička naprezanja. U instalacijama sklonim vibracijama, grijaći element je dizajniran kao konzolna greda. Plašt se montira na montažnu prirubnicu ili navojni spoj, a slobodni kraj strši u procesni medij. Fiksna ivica trpi naizmjenična naprezanja savijanja zbog vibracijskih inputa od povezanih strojeva. Za cilindrični poprečni presjek, modul presjeka je proporcionalan kocki razlike između vanjskog i unutrašnjeg prečnika. Praktično, smanjenje modula presjeka za oko 40% postiže se smanjenjem debljine zida sa 2,0 mm na 1,0 mm pri istom vanjskom prečniku. Ovo smanjenje ukazuje na veće vršne naprezanja savijanja za istu amplitudu i frekvenciju vibracija za tanji omotač. Do nastanka pukotine od zamora dolazi kada ova naizmjenična opterećenja prelaze granicu izdržljivosti materijala. Za nerđajući čelik 316, u korozivnim postavkama, ne postoji stvarno ograničenje zamora; S-N kriva nastavlja opadati čak i pri vrlo visokim brojevima ciklusa. U pomorskim sredinama brzina širenja loma se povećava sa prisustvom hlorida zbog zamora od korozije. Budući da je udaljenost koju pukotina mora prijeći da bi se proširila manja, pukotina koja počinje na vanjskoj površini omotača od 1,0 mm prodire će kroz cijelu debljinu zida mnogo većom brzinom nego u omotaču od 2,0 mm. Stoga, naizgled jednostavna opcija za smanjenje debljine stijenke radi boljeg prijenosa topline ima neposredne, kvantitativne reperkusije na mehaničku pouzdanost pod vibracijama.

Kvantitativna procjena zamora 316 omotača u pomorskoj službi
U brodskim strojarnicama tipične frekvencije vibracija su između 15 Hz do 200 Hz sa ubrzanjima od 0,5g do 5g ovisno o blizini rotirajućih strojeva. Za isti unos vibracija, maksimalno naprezanje savijanja na mjestu montaže se povećava za oko 55% kada se debljina stijenke uranjajućeg grijača dužine 300 mm s omotačem vanjskog promjera 12 mm smanji sa 1,8 mm na 1,0 mm. Modeliranje konačnih elemenata ovih postavki pokazuje da će omotač od 316 s debljinom stijenke od 1,0 mm podvrgnut vertikalnoj vibraciji od 2 g na 30 Hz doživjeti vršno naizmjenično naprezanje od 68 MPa nakon 10 milijuna ciklusa, približavajući se čvrstoći materijala korozijskom zamorom u morskoj vodi. Uradite istu vibraciju na omotaču od 1,8 mm i dobit ćete samo 42 MPa naizmjeničnog naprezanja, mnogo sigurniju marginu. Laboratorijsko ispitivanje na zamor 316 cijevi od nehrđajućeg čelika u simuliranim morskim okruženjima pokazalo je da cijevi s debljinom stijenke 1,0 mm ne uspijevaju između 8 i 15 milijuna ciklusa pri naizmjeničnom naprezanju od 50 MPa, dok cijevi od 1,8 mm prežive više od 50 milijuna ciklusa na istom nivou naprezanja. Ovi podaci se trenutno pretvaraju u život. Brod koji radi 24 sata dnevno s dominantnom vibracijom na 30 Hz ostvaruje oko 2,6 miliona ciklusa dnevno. Plašt od 1,0 mm na granici zamora mogao bi pokvariti za manje od tjedan dana neprekidnog rada. Plašt od 1,8 mm pri nižem alternativnom naprezanju mogao bi opstati nekoliko godina. Zaključak je jasan – u pomorskim aplikacijama sa visokim{38}}vibracijama, smanjenje debljine zida dovodi do nesigurnog rada osim ako grijač nije jako oslonjen ili znatno skraćen.

Toplotni efekti poboljšanih omotača u arhitekturama otpornim na vibracije
Deblji zidovi daju bolju otpornost na zamor od vibracija, ali toplotna kazna se mora riješiti i kontrolisati. Toplinska otpornost omotača od 1,8 mm 316 je oko 35% veća od otpornosti omotača od 1,0 mm istog vanjskog prečnika. Da bi se kompenzirao sporiji prijenos topline na medij, temperatura žice unutrašnjeg otpora raste za datu ulaznu snagu. U aplikacijama za grijanje vode gdje je temperatura tečnosti manja od 80 stepeni, omotač od 1,8 mm pri 12 W/cm² će raditi na unutrašnjoj žici za oko 45 stepeni toplije od omotača od 1,0 mm pri istoj gustini vati. Viša temperatura ubrzava dva puta propadanja. Prvo, oksidacija žice otpora nikla-kroma se dešava eksponencijalno s temperaturom. Vijek trajanja žice se otprilike prepolovi povećanjem temperature za 25 stepeni iznad 600 stepeni. drugo, otpornost izolacije od magnezijum oksida opada na visokoj temperaturi pa se povećava mogućnost struje curenja. Međutim, toplotne kazne se mogu suprotstaviti smanjenjem standarda gustine u vatima. Smanjenje sa 12 W/cm² na 8 W/cm² na omotaču od 1,8 mm smanjuje unutrašnju temperaturu žice za ~60 stepeni, obezbeđujući sličan termički stres na otpornoj žici, dok zadržava mehanički omotač otporan na vibracije. Dizajn{26}}prema tome više nije samo debljina zida, već i koordiniran izbor debljine i gustine u vatima.

316 Tabela za odabir izloženosti vibracijama grijača i debljine zida
Matrica ispod daje smjernice specifične za primjenu za određivanje debljine stijenke plašta 316 na osnovu izmjerenih ili predviđenih nivoa vibracija u pomorskim i industrijskim aplikacijama.

Okruženje za instalaciju i nivo vibracija Preporučena debljina zida plašta 316 Maksimalna sigurna gustoća u vatima Inženjersko opravdanje
Nosači glavnog motora, pregrade osovine propelera (5g ubrzanje, 20-100 Hz) 2,0 – 2,5 mm 6 – 8 W/cm²Maksimalni potrebni modul presjeka. Rizik od ozbiljnog zamora zahtijeva što deblji zid. Gustoća u vatima je smanjena kako bi se kompenzirala povećana otpornost na toplinu.
Prostorija za pomoćne generatore, prostorija za pumpe (2 g ubrzanje, 30 - 60 Hz) 1.6 - 2.0 mm 8 - 10 W/cm 2 Otklanjanje - otpornosti na zamor. Termička kazna umjerene veličine prihvatljiva. Standardna specifikacija za većinu brodskih procesnih grijača
Instalacija na palubi rezervoara, konstrukcija trupa udaljena od mašina (0,5g – 1g ubrzanje) 1,2 – 1,6 mm 10 – 12 W/cm2 Niske do umjerene vibracije. Prihvatljiva standardna industrijska debljina. Redovni vizuelni pregled mesta ugradnje. Savjetovano
Statički rezervoar za hemikalije (na kopnu), bez izvora vibracija 0,8 – 1,2 mm 12 – 15 W/cm² Nema problema sa vibracijama. Prije svega, toplinska efikasnost. Tanji zid maksimizira prijenos topline. „Analiza umora? Nije potrebna.
Potporna cijev, cijele dužine, ili vanjski nosači vodilice 1,0 – 1,2 mm Do 15 W/cm² Mehanička veza eliminiše savijanje konzole. Debljina zida se može smanjiti radi termičkog dobitka. Podrška dizajnu je neophodna za uspjeh.
Tehnike ugradnje i podrške za tanje zidove
U slučaju kada zahtjevi procesa favoriziraju tanji omotač za toplinsku reakciju, ali razmatranja vibracija favoriziraju veće zidove, postoje inženjerske opcije izvan dimenzija plašta. Najbolji način je mehanička potpora slobodnom kraju uranjajućeg grijača. Konzolna greda se transformiše u jednostavno oslonjenu gredu pomoću potpornog nosača na zidu rezervoara ili unutar posude, čime se smanjuju momenti savijanja za oko 75 % za isti unos vibracija. Uz dovoljan krajnji oslonac, omotač od 1,0-mm 316 može imati vijek trajanja koji je ekvivalentan omotaču od 2,0-mm bez potpore. Alternativno, drastično smanjenje nepodržane dužine uvelike povećava toleranciju na vibracije. Ako se dubina uranjanja smanji sa 400 mm na 200 mm, moment savijanja na mjestu montaže se smanjuje za faktor četiri. Višestruki kratki prodori često nadmašuju jedan dugi grijač za vibracijski servis. Kratki grijači velike gustoće vata često su bolji od jednog dugog grijača. Potporne matice i podloške protiv vibracija u nosaču s navojem također pomažu da se izbjegne tresenje na spojnom sučelju, tipičnom mjestu za pojavu zamornih pukotina bez obzira na debljinu zida.

Zaključak: Realni spektri vibracija za debljinu omotača 316
Potrebna je promjena u razmišljanju, od statičke čvrstoće do dinamičkog vijeka trajanja zamora, za debljinu stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 za uranjajuće grijače koji se koriste u morskom okruženju. Smanjena debljina pruža stvarne termalne prednosti-brže reakcije, niže unutrašnje temperature žice i veće dostižne gustoće u vatima. Međutim, prisutnost produženih vibracija dovodi do akumulacije ciklusa naprezanja savijanja u tanjem omotaču što dovodi do loma zamora. Način kvara nije trenutni kolaps, već progresivni početak i rast prijeloma koji se obično ne otkriva sve dok se ne dogodi perforacija. Praktična poruka za dizajnere je da dobiju ili procijene spektar vibracija na predviđenom mjestu montaže prije finalizacije debljine zida. Prihvatljivi rizik se postiže za normalne industrijske debljine do 1,0 mm za nivoe vibracija ispod 1g ubrzanja. Nivoi od 1g do 3g trebaju srednje debljine od 1,4-1,8 mm ili uključivanje krajnjih nosača. Iznad nivoa od 3g potreban je omotač sa debelim zidovima od 2,0 mm+ sa smanjenim parametrima gustine u vatima kako bi se zadovoljile termalne kazne. Kada ste u nedoumici, najčvršća osnova za specifikaciju je instrumentalno mjerenje postojećih vibracija grijača. Rijetko se događa da brodski grijač iznenada pokvari, prije je to očekivani rezultat odluka o mehaničkom dizajnu koje se donose bez dovoljnog uvažavanja radnog okruženja.