Kako debljina stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 utječe na napon izazvan termičkom ekspanzijom-na MgO sučelju tokom ponovljenih ciklusa grijanja od 20 do 400 stepeni Celzijusa?

Spoj između omotača od nehrđajućeg čelika 316 i izolacije od magnezijum oksida je značajna, ali često zanemarena tačka kvara za dizajnere koji procjenjuju dugoročnu-trajnost električnih uranjajućih grijača koji rade u cikličnoj upotrebi visokih-temperatura. Plašt 316 se širi više od MgO sa svakim ciklusom grijanja jer je koeficijent termičke ekspanzije od 316 (oko 17 x 10 -6/stepen) oko 2 puta veći od zbijenog MgO (oko 9 x 10 -6/stepen). Ovo diferencijalno širenje dovodi do posmičnih deformacija na sučelju omotača-MgO. Tokom hiljada ciklusa ovi pritisci mogu izazvati odvajanje, stvaranje praznina i eventualno pregrijavanje otporne žice. Ova međufazna naprezanja direktno ovise o debljini stijenke omotača, budući da deblji zid ograničava širenje na drugačiji način u odnosu na tanki zid. U ovoj studiji, korelacija između debljine stijenke omotača 316 i toplinskog širenja uzrokovanog međufaznim naprezanjem kvantificirana je kako bi se pružili prijedlozi za odabir za primjene visokog ciklusa.

Sučelje omotača-MgO: mehanika diferencijalne toplinske ekspanzije
Kada je grijač ugrađen, MgO izolacija se sabija uz unutrašnju površinu omotača 316 pod intenzivnim pritiskom nabijanja. Rezultat je čvrsto prianjanje sa zaostalim tlačnim naprezanjem na sučelju. Oba materijala se šire s toplinom iz grijača. Plašt 316 pokušava se proširiti prema van u radijalnom i obodnom smjeru. MgO ima niži koeficijent ekspanzije i otporan je na ekspanziju. To rezultira smanjenjem međufaznog tlačnog naprezanja, ili pri dovoljno visokim temperaturama, prelaskom na vlačno naprezanje i razvoj zazora. Kritična temperatura za odvajanje međufaza ovisi o početnoj preostaloj napetosti uzrokovanoj nabijanjem i krutosti stijenke omotača. Radijalna krutost raste s debljinom stijenke plašta, što znači da se snažnije odupire ekspanziji i održava međufazni kontakt na višim temperaturama. S druge strane, plašt sa tankim{10}}stinama je fleksibilniji i može dozvoliti stvaranje praznina na nižim temperaturama. Međutim, kada se formira zazor, tank-obloga sa tankim zidovima doživljava veća lokalna naprezanja savijanja zbog skretanja zida bez potpore pod unutrašnjim pritiskom ili termičkim gradijentima.

Kvantitativna korelacija međufaznog zadržavanja naprezanja i debljine stijenke
Studija konačnih elemenata omotača 316 vanjskog promjera 10 mm ispunjenog MgO komprimiranim na 3,0 g/cm3 daje kvantitativne procjene međufaznog naprezanja kao funkcije debljine stijenke i temperature. Međufazna tlačna naprezanja nakon ispiranja na sobnoj temperaturi je oko 30 MPa za debljinu zida od 1,0 mm, 45 MPa za zid od 1,5 mm i 60 MPa za zid od 2,0 mm. Deblji omotač zadržava veću zaostalu kompresiju, budući da proces nabijanja primjenjuje veće naprezanje na MgO prije nego što omotač plastično popusti. Naprezanje na površini opada linearno s porastom temperature zbog diferencijalnog širenja. Temperatura odvajanja, kada je međufazna napetost nula, iznosi oko 280 stepeni za zid od 1,0 mm, 340 stepeni za zid od 1,5 mm i 380 stepeni za zid od 2,0 mm. Nakon odvajanja, plašt od 1,0 mm pokazuje međufaznu vlačnu napetost od ~ 5 MPa, dok omotač od 2,0 mm ostaje pod kompresijom tokom cijelog ciklusa za grijač maksimalne temperature od 400 stupnjeva. Veza između omotača i MgO se gubi kada sučelje postane zategnuto. To rezultira malim prazninama koji doprinose toplinskom otporu od otporne žice do omotača. MgO u području zazora više nije dobar toplinski provodnik i može se razviti lokalna vruća tačka koja može ubrzati oksidaciju žice.

Ciklični zamor sučelja i degradacija grijača
U cikličnom radu, ponavljajuća promjena međufaznog napona iz komprimirane u vlačnu ili iz komprimirane u razvezanu proizvodi kumulativna oštećenja na kontaktu omotača-MgO. Za zidni omotač od 1,0 mm koji radi između 20 stepeni i 400 stepeni, interfejs vidi temperaturnu varijaciju od oko 300 stepeni. Svaki ciklus ide od visoke kompresije na temperaturi okoline do nultog naprezanja na 280 stepeni do napetosti na 400 stepeni. Ovo ciklično preokretanje napetosti može podstaći trošenje fretinga na međuprostoru, stvarajući MgO prah koji dodatno ograničava termički kontakt. Nakon 1000 ciklusa, termički otpor na interfejsu može porasti za 20-40%, što zahtijeva veće temperature žice kako bi se toplinski učinak održao konstantnim. Za zidni omotač od 2,0 mm, u istom temperaturnom rasponu, interfejs je u kompresiji na svim temperaturama. Napon se kreće od 60 MPa kompresije na temperaturi okoline do oko 10 MPa kompresije na 400 stepeni - uvijek pozitivan kontaktni pritisak. Bez mrvica ili zazora. Eksperimentalno ispitivanje 316 obloženih grijača podvrgnutih 5.000 ciklusa od 20 do 400 stupnjeva pokazuje da zidni omotači od 1,0 mm imaju 35% povećanje toplinske otpornosti i 15% smanjenje otpora izolacije. Isti test na zidnim oblogama od 2,0 mm pokazao je manje od 5% varijacije u oba parametra.

Preporuke za debljinu zida za aplikacije sa visokim ciklusom i visokim temperaturama
Sljedeća tabela daje preporučene 316 debljina stijenki plašta za datu maksimalnu radnu temperaturu i broj predviđenih termičkih ciklusa. Pretpostavlja konvencionalnu proceduru otapanja i nema naknadnog-žarenja. Vrijednosti pretpostavljaju ciljni vijek trajanja bez značajnog gubitka toplinskih performansi.

Maksimalna temperatura omotača Očekivani termalni ciklusi tokom radnog vijeka Preporučeni Minimum 316 debljina stijenke Interfacialno stanje pri maksimalnoj temperaturi Očekivani toplinski otpor raste nakon ciklusa
Do 250 stepeni C0,8 – 1,0 mm Bilo koji broj ostaje kompresivan < 5% 250 – 300 stepeni< 1,000 1.0 – 1.2 mm Close to zero or mildly tensile 5 – 10% 250 – 300°C 1,000 – 5,000 1.2 – 1.5 mm Compressive with margin< 5% < 300°C < 350°C < 500 1.2 – 1.4 mm Slightly tensile on peak 10 – 15%
300 – 350 stepeni 500 – 2,000 1.5 – 1,8 mm Ostaje na pritisak < 5% 350 – 400 stepeni < 500 1.6 – 2,0 mm Blago rastezljivo na vrhuncu 10 – 20%
350 – 400 stepeni 500 – 2,000 2.0 – 2,5 mm Ostaje kompresivan<5%
>400 stepeni Bilo koji broj Ne preporučuje se sa formiranjem MgO jaza verovatno Nepredvidivo
Za aplikacije koje zahtijevaju i visoku maksimalnu temperaturu i veliki broj ciklusa, kao što su oprema za sterilizaciju ili termalne peći za ciklus, preporučuje se odabir 2,0 mm i debljeg omotača 316. Moramo samo prihvatiti toplotnu kaznu svojstvenu debelom zidu, kao što je navedeno u prethodnim člancima, kao cijenu dugoročnog interfacijalnog integriteta. Alternativno, inženjeri mogu specificirati post-proces žarenja koji smanjuje zaostala naprezanja, ali i početnu međufaznu kompresiju. Zadržavanje međufaznog naprezanja je identično za žareni omotač od 1,6 mm i ne-žareni omotač od 1,2 mm. Zavisi od toga da li je aplikacija više fokusirana na termičku efikasnost ili trajnost ciklusa.

Dizajnerski pristupi za ublažavanje međufaznog naprezanja u omotačima s tankim{0}}zinama
Za primjene koje zahtijevaju plašt sa tankim stijenkama ispod 1,2 mm iz razloga toplinske osjetljivosti, ali uključujući termički ciklus do visokih temperatura, postoje tri dizajnerska rješenja koja se mogu slijediti kako bi se smanjilo međufazno odljepljivanje. Prvi je dodavanje malog sloja masti ili paste sa jakom toplotnom provodljivošću na sučelje omotača-MgO tokom montaže. Na primjer, silikonske masti napunjene bor nitridom zadržavaju usklađenost tokom cikliranja temperature i popunjavaju sve praznine koje mogu nastati, održavajući termički kontakt. Druga tehnika je pokretanje grijača na minimalnoj temperaturi pripravnosti umjesto hlađenja na ambijentalnu temperaturu između ciklusa. Za ciklično kretanje grijača od 150C do 400C umjesto 20C do 400C, varijacija međufaznog naprezanja se smanjuje za oko 50%. Treći pristup je definiranje omotača manjeg vanjskog promjera s istom debljinom stijenke. Radijalna krutost je proporcionalna četvrtom stepenu prečnika. Dakle, plašt od 6 mm OD sa 1,0 mm stijenke ima veću radijalnu krutost od omotača OD 10 mm sa 1,0 mm stijenke. Dizajner može smanjiti prečnik kako bi iskoristio prednosti tankog zida za termičku reakciju i i dalje imao međufazni kontakt na višim temperaturama. Kada su tanki zidovi specificirani za cikličku upotrebu pri visokim{20}}temperaturama, inženjeri bi trebali pitati proizvođače grijača za proračune međufaznog naprezanja. Analiza je u funkciji omjera redukcije stiskanja, gustine sabijanja MgO i predviđenog temperaturnog profila. Ako ne možete dobiti ovu analizu od proizvođača, sumnjivo je da on proizvodi pouzdan grijač za zahtjevne ciklične primjene.