Kako neusklađenost toplinske ekspanzije između cijevi grijača od titanijuma i njene montažne prirubnice utječe na vijek trajanja cikličkog zamora pod grijanjem parom?

Cijevi za grijanje od titana se koriste u aplikacijama za grijanje parom uronjene u kondenzat ili u direktnom kontaktu sa parom na temperaturama od 100 do 160 stepeni. Cijev grijača je obično zavarena ili mehanički pričvršćena na montažnu prirubnicu od drugog materijala, obično ugljičnog čelika, nehrđajućeg čelika ili čelika obloženog PTFE-. Svaki materijal ima svoj vlastiti koeficijent toplinske ekspanzije (CTE). CTE titanijuma Grade 2 je približno 8,6 × 10-6/stepen. CTE ugljeničnog čelika je 12,0 × 10⁻⁶ / stepen. Nerđajući čelik 316 CTE=16.0 x 10-6 / stepen Ciklusi parnog grejanja zagrevaju sistem sa ambijentalne (20 stepeni) na radnu temperaturu (120-160 stepeni) i hlađenje. Razlika u ekspanziji između titanijumske cijevi i njene prirubnice za montažu stvara ciklična naprezanja na mjestu pričvršćenja. Ova neusklađenost termičke ekspanzije rezultira čestim pucanjem od zamora na spoju zavarenog vrha ili prirubnice cijevi tokom stotina ili hiljada ciklusa.

Mehanizam termičkog zamora zbog neusklađenosti CTE

Kako se sistem zagrijava, montažna prirubnica se širi više od titanijske cijevi (za čelične prirubnice) ili manje od titanijske cijevi (za neke specifične legure). Cijev je na mjestu pričvršćivanja ograničena prirubnicom. Ovo ograničenje dovodi do cikličkih aksijalnih napona u cijevi-zateznih napona kada se prirubnica širi više od titana tijekom zagrijavanja i tlačnih napona tokom hlađenja. Veličina cikličkog naprezanja proporcionalna je proizvodu CTE razlike, kolebanja temperature i udaljenosti od neutralne ose. Za tipičnu dužinu od 200 mm od prirubnice do prvog oslonca, temperaturno ljuljanje od 100 stepeni sa CTE razlikom od 4 × 10-6 / stepen daje oko 0,08 mm diferencijalnog pomaka u svakom ciklusu. Ovaj pomak, lokaliziran na zavarenom ili mehaničkom spoju, uzrokuje lokalna naprezanja veća od 0,2%, dobro unutar raspona zamora niskog ciklusa.

Kvantitativni vijek trajanja zamora na osnovu materijala prirubnice

Sljedeći vijek trajanja zamora dobiven je za cijevi od titana razreda 2 spojene na različite materijale prirubnica korištenjem kontroliranog ciklusnog testiranja (okret temperature od 100 stepeni, grijanje 5 minuta, hlađenje 5 minuta):

Titanijumska prirubnica (odgovara CTE, 8,6 x 10-6 / stepen): vijek trajanja > 100.000 ciklusa. Nema neusklađenosti termičkog širenja. Zavarivanje osjeća samo pritisak i naprezanje vibracija. Preferirani raspored za parno grijanje visokog ciklusa.

Prirubnica od ugljeničnog čelika (CTE neusklađenost od 3,4 x 10-6 / stepen) Zamorni vek od 8.000-12.000 ciklusa do početka pucanja. Pukotine se obično formiraju blizu vrha zavara nakon 5.000 do 7.000 ciklusa. Pogodno za primjene manje od 2 ciklusa dnevno (10+ godina vijeka trajanja).

Prirubnica od nehrđajućeg čelika 316 (CTE neusklađenost 7,4 × 10⁻⁶ / stepen): vijek trajanja 2,500–4,000 ciklusa do početka loma. Velika neusklađenost CTE-a stvara ogroman ciklički stres. Ne koristiti za svakodnevnu vožnju parom.

Inconel prirubnica (CTE 13,0 × 10-6 / stepen, neusklađenost 4,4 × 10-6 / stepen): vijek trajanja 1,500-2,500 ciklusa Kao nerđajući čelik. Titanijum-Inconel zavar takođe predstavlja opasnost od galvanske korozije u kondenzatu.

Čelična prirubnica obložena PTFE (PTFE CTE 100 x 10⁻⁶ / stepen, ali ograničena čelikom): Složeno ponašanje. PTFE obloga se plastično deformiše, olakšavajući stezanje titanijumske cijevi. Dobar dizajn košuljice, vijek trajanja 15.000-20.000 ciklusa.

Vodič za odabir materijala prirubnice za servisno grijanje parom

Donja tabela daje okvir odluke za odabir materijala prirubnica za montažu na osnovu učestalosti ciklusa parnog grijanja i radne temperature.

Učestalost i temperatura ciklusa grijanja pare Preporučeni materijal prirubnice CTE rješenje za neusklađenost<1/day cycle, 100-120o C steamFlexible transition piece for carbon steel titaniumLow cycle count carbon steel is fine. Use a thin (2 mm) titanium spacer for stress distribution.
1–5 ciklusa/dan, 120–140 stepeni pare Titanijumska prirubnica (Grade 2) direktno zavarena na cijev. Prirubnica ima veću početnu cijenu.
5-20 ciklusa dnevno, para na 140-160 stepeni Titanijumska prirubnica sa mehom za dilataciju. Mehovi obezbeđuju diferencijalno širenje. Potreban za servisiranje teških ciklusa. Duži vijek trajanja opravdava dodatni trošak.
Postojeća prirubnica od ugljičnog čelika, potrebna je česta ciklistika. Rekonstruisana sa fleksibilnom grafitnom zaptivkom (debljine 3 mm) Zaptivka se kompresuje 0,3-0,5 mm po ciklusu, apsorbuje termalni pomak. Godišnja zamjena zaptivki.
Grejanje parom sa gašenjem vodom (termički šok, brzo hlađenje) Samo prirubnica od titanijuma Brzi ciklusi povećavaju efekte neusklađenosti CTE. Bilo koja drugačija metalna prirubnica će otkazati u 500 ciklusa.
Samo inženjering izvan prirubničkih materijala

Promjer cijevi i debljina stijenke utječu na koncentraciju naprezanja na spoju prirubnice. Širi promjer cijevi (50 mm naspram 25 mm) raspoređuje ciklično naprezanje preko većeg radijusa smanjujući lokalno naprezanje za 30 – 40 %. Deblji zidovi (2,0 mm naspram . 1.0 mm) pružaju veću otpornost na širenje zamorne pukotine kada se ona pokrene. Dizajn šava je slično važan: zavar sa punim prodorom sa glatkim prijelazom (bez oštrog zareza na spoju cijevi-prirubnice) povećava vijek trajanja zamora za 3-5 puta u poređenju sa ugaonim zavarom sa podrezom. Ublažavanje naprezanja nakon zavarivanja (550 stepeni u trajanju od 30 minuta) smanjuje zaostala naprezanja zavarivanja koja se povećavaju na naprezanja termičkog ciklusa.

Samouvjereno precizirajući

Prilikom naručivanja titanijumske cijevi za grijanje za uslugu parnog grijanja, odaberite titanijsku prirubnicu istog kvaliteta kao i materijal cijevi. Ako budžetska ograničenja diktiraju upotrebu prirubnice od ugljičnog čelika za primjenu, navedite fleksibilni prijelazni dio-50–100 mm dužine tankog zida-titanijumske cijevi (0,8 mm)-između krute prirubnice i cijevi za grijanje. Usklađeni dio se elastično deformira nakon cikličenja temperature i apsorbira neusklađenost ekspanzije bez oštećenja zavara. Pronađite srednji broj termičkih ciklusa tokom životnog vijeka grijača. Fleksibilni prelazni ugljenični čelik za 10.000 ili manje ciklusa je prihvatljiv. Navedite prirubnicu od titanijuma samo za cikluse više od 10.000. Svake godine tokom servisa pregledajte -prirubnički zavar cijevi koristeći penetrant za boju. Svaki trag pucanja mora se odmah popraviti ili zamijeniti. Inženjer izbjegava skriveni kvar zbog termičkog zamora sistema-zagrijanih parom tako što uparuje materijal prirubnice sa titanijumskom cijevi ili pruža karakteristike{19}}apsorbovanja naprezanja.