Pod kojom specifičnom kombinacijom temperature i primijenjenog vlačnog naprezanja 316L grijač plašt prijelaz od puknuća do zamora-Dominira kvar pri 1 Hz ciklično opterećenje (10.000.000 ciklusa)

Vibracija Visoka-Granica zamora ciklusa za primjene grijača

316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating in high vibration environments (e.g., downstream of pumps, in flowing fluids with vortex shedding, on mobile equipment, or in systems with pressure pulsations) under cyclic mechanical loading undergo a transition from pure creep rupture (time-dependent, temperature-controlled) to fatigue-dominated failure (cycle-dependent, stress-controlled) at a critical combination of temperature and applied alternating stress. At 1Hz loading (typical for flow induced vibration or pump pulsation) the transition depends on temperature. At room temperature, 316L has an endurance limit of around 200-250 MPa (stress range) at 10⁷ cycles. The endurance limit at 400°C is reduced to 150-200 MPa. At 550°C it further decreases to 100-150 MPa. The endurance limit at 600°C is 60 to 100 MPa. At temperatures above 650°C, the material cannot withstand 10 7 cycles at any tension >20-30 MPa, since creep prevails and produces rupture before 10 7 cycles, irrespective of the stress level. This paper quantifies the creep to fatigue failure mode transition for 316L heater sheaths under high cycle (>10{sup 6} ciklusa) opterećenja.

Mehanizam interakcije puzanja i umora

Na višim temperaturama umor i puzanje su u interakciji. Kod čistog zamora oštećenja se akumuliraju po ciklusu kao plastično naprezanje. Kod čistog puzanja oštećenja se akumuliraju kao funkcija vremena pod stresom. Na visokim temperaturama i niskim frekvencijama (1 Hz je niska frekvencija za ispitivanje zamora), svaki ciklus ima zadržavanje na vršnom naprezanju (obično 0,5 sekundi za trokutni val na 1 Hz). Tokom ovog vremena zadržavanja može se razviti kavitacija puzanja. Ukupna šteta se može zapisati kao pravilo linearnog zbrajanja oštećenja: (N/Nf) + (t/tr)=Dcrit, gdje je N broj ciklusa, Nf broj ciklusa do otkaza kod čistog zamora (bez puzanja), t je vrijeme pod stresom i tr je vrijeme do pucanja u čistom puzanju. Promjena se vrši kada su dva doprinosa šteti jednaka. Za prosečna opterećenja grejača (30-100 MPa) prelazna temperatura je oko 550-600 stepeni za opterećenje od 1 Hz.

Kvantificirani ciklički (1 Hz) u odnosu na statički vijek puzanja na različitim temperaturama

Statičko puzanje i kontrolirano ispitivanje zamora potiskivanjem{0}}povlačenjem (R=0, trokutni valni oblik, 1 Hz) uzoraka cijevi od 316L pri istom vršnom naprezanju doveli su do sljedećih ciklusa do otkaza i ponašanja prijelaza.

Temperature (oC) Peak Stress (MPa) Cycles to Failure at 1 Hz (N_f) Time to Failure (hours) at 1 Hz Static Creep Rupture Life (hours, same stress) Dominant Failure Mode Recommended for 10^7 Cycle Life 25 250 2x10^6-5x10^6 550-1400 >100.000 Zamor Ne (granica izdržljivosti ~200 MPa)
25 200 >10⁷ >2,800 >100,000 Fatigue Yes (below endurance limit) 300 200 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 50,000-80,000 Fatigue No 300 150 >10⁷ >2,800 >80,000 Fatigue Yes 400 180 5×10⁵-1.5×10⁶ 140-420 20,000-40,000 Fatigue No 400 120 5×10⁶-8×10⁶ 1,400-2,200 30,000-50,000 Mixed Marginal 400 100 >10⁷ >2,800 40,000 Fatigue Yes 500 120 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 10,000-15,000 Mixed No 500 80 3×10⁶-6×10⁶ 830-1,670 15,000-25,000 Mixed Marginal 500 60 >10⁷ >2,800 25,000 Fatigue Yes 550 100 3×10⁵-8×10⁵ 83-220 5,000-8,000 Creep-fatigue No 550 60 1×10⁶-3×10⁶ 280-830 8,000-12,000 Mixed Marginal 550 40 >10⁷ >2,800 15,000 Creep? Yes (check) 600 80 5104-2105 14-55 2,000-4,000 Creep-dominated No 600 40 2105-5105 55-140 4,000-6,000 Creep-fatigue No 600 20 >107 >2,800 8,000-10,000 Creep (ali preživi 107 ciklusa?) Marginalni
Frekvencijska zavisnost prelazne temperature

Oštećenju od puzanja pogoduju niže frekvencije (duže trajanje zadržavanja pri vršnom naprezanju) Zamoru pogoduju višim frekvencijama Za grijače, vibracije izazvane pumpom{0}} često su na 1 Hz.

Frekvencija (Hz) Temperatura pri kojoj su puzanje i oštećenje od zamora jednaki (za vršno opterećenje od 60 MPa) Temperatura 10^7 Granica zamora ciklusa (MPa, 50% statičkog prinosa)
0.1 500 stepen 525 stepeni 0.5 530 stepen 550 stepeni 1 550 stepen 575 stepen 2 570 stepen 600 stepeni 5 600 stepen 620 stepeni Praktične preporuke za ugradnju grijača podložnih vibracijama-

316L grijači u kućištu, situacije sa visokim{1}}vibracijama. Zahtjevi dizajna i materijala za životni vijek ciklusa od 10⁷ pri 1 Hz.

Maksimalna dozvoljena amplituda naizmjeničnog naprezanja za 107 ciklusa (MPa) Maksimalna radna temperatura (stepen) Preporučeno pozicioniranje grijača Dodatno prigušivanje vibracija<200 200Standard rigid base200-300 180Rubber isolated, rigidElective 300-400 140Flexible mount (springs) Suggested
400-500 100 Potreban je izolacija vibracija + fleksibilni nosač 500-550 60Plutajući nosač (bez čvrstih veza) Potreban + ublažavanje stresa
550-600 30-40 Heat transfer with flexibility for remote mountingRequired (or upgrade to 347) >600 Nije primjenjivo (kontrolirano puzanjem) Nadogradite na 347 ili 310 N/A
Zaključak: umor protiv puzanja za 10 7 vijek trajanja

Za plašt grijača od nehrđajućeg čelika 316L prelazak sa kvara kojim dominira zamor na kvar kojim dominira puzanje događa se na oko 550-600 stepeni za opterećenja od 40-100 MPa pri 1 Hz cikličkom opterećenju (tipično za vibracije pumpe ili pulsiranje pokretano protokom). Na 550 stepeni dozvoljena alternativna amplituda naprezanja za 10⁷ ciklusa (oko 4 meseca kontinuirane vibracije na 1 Hz) je 40-60 MPa; na 600 stepeni smanjuje se na 20-40 MPa. Inženjeri koji specificiraju grijače za upotrebu sa visokim vibracijama iznad 500 stepeni moraju smanjiti dozvoljena naprezanja ili nadograditi na legure viših temperatura (347, 310). Na temperaturama ispod 500 stepeni, 316L može izdržati 10⁷ ciklusa pri naprezanjima od 100-180 MPa ako se reguliše naizmjenični napon (amplituda vibracije). Ovaj okvir prikazan ovdje povezuje temperaturu, primijenjeno ciklično naprezanje i frekvenciju sa granicama izdržljivosti ciklusa zamora 10 7. Stoga kupci mogu odabrati dizajn grijača i tehnike montaže koji izbjegavaju prerano kvar zbog visokog ciklusnog zamora u situacijama sklonom vibracijama.