In che modo il metodo di montaggio di un riscaldatore con guaina in titanio (nipplo flangiato o filettato) modifica la distribuzione delle sollecitazioni sulla giunzione fredda del perno quando sottoposto a cicli termici da 20 gradi a 180 gradi?

Il compromesso di base nel montaggio di un riscaldatore per un servizio a ciclo-termico- elevato
I riscaldatori rivestiti in titanio vengono spesso installati attraverso le pareti del serbatoio utilizzando una connessione flangiata (imbullonata a una flangia corrispondente) o un nipplo filettato (avvitato in un giunto saldato). La giunzione a pin freddo, dove il filo della resistenza interna si unisce al cavo elettrico esterno, è sottoposta al massimo stress termico durante il passaggio dalla temperatura ambiente (20 gradi) alla temperatura di processo (180 gradi). Il modo in cui è montata la guaina influenza il modo in cui questa si dilata e si contrae rispetto alla parete fissa del serbatoio e, quindi, ha un effetto diretto sul modo in cui si distribuiscono le sollecitazioni in questo vitale snodo. Il supporto flangiato fornisce una certa flessibilità radiale e assiale, ma il nipplo filettato vincola rigidamente la guaina. Lo spessore della parete interagisce con il metodo di montaggio: una parete più spessa migliora la rigidità assiale e trasmette una maggiore sollecitazione termica alla connessione con perno freddo. Questa analisi confronta le distribuzioni delle sollecitazioni per il montaggio flangiato e filettato e fornisce suggerimenti per la selezione per applicazioni con cicli ad alta temperatura.

Effetto sull'integrità meccanica: sollecitazione della giunzione a perno freddo
Per un riscaldatore in titanio di 500 mm di lunghezza, l'espansione assiale è ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm quando riscaldato da 20 gradi a 180 gradi. La guaina è fissata saldamente in un supporto per capezzolo filettato in corrispondenza delle filettature. Questa espansione limitata genera uno sforzo di compressione assiale di σ_assiale=E × × ΔT=105 GPa × 8.6e-6 × 160=144 MPa. Questa tensione viene trasferita immediatamente alla giunzione fredda del perno dove la guaina passa da riscaldata a non riscaldata. Per una parete di 1,0 mm, questa sollecitazione è inferiore al carico di snervamento di 275 MPa, e quindi mostra un comportamento elastico. Ma la guida frequente produce affaticamento alle articolazioni. Per una parete da 1,8 mm la sollecitazione assiale è di 144 MPa (indipendente dallo spessore della parete per un vincolo rigido) ma la rigidità alla flessione in corrispondenza della giunzione è maggiore, quindi minore capacità di compensare lievi disallineamenti. Un'analisi agli elementi finiti dimostra che il fattore di concentrazione delle sollecitazioni nella giunzione fredda del perno aumenta da 2,5 per la parete da 1,0 mm a 3,2 per la parete da 1,8 mm, con corrispondenti picchi di sollecitazione localizzati di 360 MPa e 460 MPa. La parete da 1,8 mm supera il limite di snervamento locale, con conseguente deformazione plastica a ogni ciclo e rapida rottura per fatica.

Il riscaldatore è fissato su un supporto flangiato con una guarnizione, sebbene non sia fissato rigidamente. La flangia consente alla guaina di scivolare leggermente attraverso la guarnizione man mano che si espande. La forza di attrito sulla guarnizione (non il modulo di sezione completo) resiste all'espansione e riduce la sollecitazione assiale di un fattore compreso tra 5–10 e 15–30 MPa. La sollecitazione sulla giunzione fredda del perno è inferiore a 50 MPa, che rientra nel limite elastico sia per le pareti da 1,0 mm che per quelle da 1,8 mm. Il supporto flangiato disaccoppia essenzialmente la dilatazione termica dalla giunzione fredda del perno.

Impatto sulle prestazioni termiche: perdita di calore e danni alle guarnizioni
Anche il metodo di montaggio influenza la trasmissione del calore sul perno freddo. In un nipplo filettato, il contatto metallo-a-metallo garantisce una buona conduzione termica dalla guaina alla parete del serbatoio, raffreddando la giunzione fredda del perno e mantenendo la tenuta elettrica. Ma questo raffreddamento comporta anche una perdita di calore, che riduce l’efficienza del sistema del 2–5%. In un montaggio flangiato, la guarnizione (PTFE o fibra compressa in generale) funge da isolante, riducendo la perdita di calore a meno dell'1%, ma consentendo alla giunzione fredda del pin di funzionare a temperature più elevate. Per il funzionamento a 180 gradi, il perno freddo su un supporto flangiato può essere di 120-140 gradi e necessita di cavi per alte temperature e isolamento in silicone o fibra di vetro. Lo spessore della parete non influisce molto su queste differenze di calore.

Come scegliere un metodo di montaggio: una sintesi del compromesso-
Tipo di montaggio Spessore parete Sollecitazione di picco al perno freddo (ciclo da 20 gradi a 180 gradi) Applicazione consigliata Durata a fatica con perdita di calore (cicli fino al cedimento)
Nipplo filettato 1,0 mm 360 MPa (localizzato) 5.000 – 10.000 cicli 3 – 5% Applicazioni a ciclo basso-(< 5,000 cycles) with thin wall.
Nipplo filettato 1,8 mm 460 MPa (localizzato) 1.000 – 2.000 cicli 3 – 5% Non consigliato - deformazione plastica per ciclo
Guarnizione della flangia in PTFEQualsiasi (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100.000 cicli < 1% Preferito per applicazioni ad-cicli elevati o ad alta temperatura.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 gradi) dove il PTFE si rompe.
Circuiti di espansione ingegneristici e connessioni flessibili oltre la montatura
Se l'applicazione richiede un montaggio filettato (ovvero un retrofit su giunti esistenti), il tubo del riscaldatore contiene un anello di espansione (curvatura a 180 gradi) tra la sezione riscaldata e la giunzione del perno freddo per assorbire meccanicamente l'espansione termica e ridurre lo stress sul perno freddo indipendentemente dallo spessore della parete. Una curva a 90 gradi di raggio 50 mm riduce il carico assiale trasmesso del 70%. In alternativa, viene utilizzato un collegamento con tubo flessibile metallico tra il riscaldatore e l'armadio elettrico per isolare il perno freddo dalle forze di dilatazione termica.

CONCLUSIONE: Montaggio a flangia preferito per servizi con cicli termici elevati
We demonstrate that a flanged mount with a compliant gasket reduces the tension at the cold pin junction of a titanium encased heater with thermal cycling from 20$^\circ$C to 180$^\circ$C as compared to a threaded nipple. The rigid restriction in the threaded mount induces an axial compressive stress of 144 MPa, which combined with stress concentration factors of 2.5-3.2 leads to localized yielding at the cold pin for thick walls (>=1.5 mm). Le pareti filettate da 1,8 mm hanno una durata a fatica di soli 1.000–2.000 cicli. La guaina con montaggio flangiato scorre attraverso la guarnizione e la sollecitazione di picco rimane inferiore a 50 MPa indipendentemente dallo spessore della parete, risultando in > 100.000 cicli. Laddove l'installazione filettata è inevitabile, utilizzare una parete sottile (inferiore o uguale a 1,0 mm) e un anello di espansione. Per le nuove installazioni in cui è richiesta un'elevata durabilità in presenza di cicli termici, la specifica da scegliere è un supporto flangiato con guarnizione in PTFE. Lo spessore della parete viene impostato in base ai requisiti di corrosione e pressione e non alle sollecitazioni causate dal montaggio.