In che modo la mancata corrispondenza della dilatazione termica tra un tubo riscaldante in titanio e la sua flangia di montaggio influenza la durata a fatica ciclica con riscaldamento a vapore?

I tubi riscaldanti in titanio sono utilizzati in applicazioni di riscaldamento a vapore immersi nella condensa o a diretto contatto con il vapore a temperature comprese tra 100 gradi e 160 gradi. Il tubo del riscaldatore è solitamente saldato o fissato meccanicamente a una flangia di montaggio di un materiale diverso, solitamente acciaio al carbonio, acciaio inossidabile o acciaio rivestito in PTFE-. Ogni materiale ha il proprio coefficiente di dilatazione termica (CTE). Il CTE del titanio grado 2 è di circa 8,6 × 10-6/grado. Il CET dell'acciaio al carbonio è 12,0 × 10⁻⁶ / grado. Acciaio inossidabile 316 CTE=16.0 x 10-6 / grado I cicli di riscaldamento a vapore riscaldano il sistema dalla temperatura ambiente (20 gradi) alla temperatura di esercizio (120-160 gradi) e si raffreddano. La differenza di dilatazione tra il tubo in titanio e la sua flangia di montaggio crea sollecitazioni cicliche nel punto di attacco. Questa mancata corrispondenza dell'espansione termica provoca fessurazioni per fatica spesso sulla punta della saldatura o sull'interfaccia tubo-flangia per centinaia o migliaia di cicli.

Meccanismo di fatica termica dovuto al disadattamento del CTE

Man mano che il sistema si riscalda, la flangia di montaggio si espande più del tubo in titanio (per flange in acciaio) o meno del tubo in titanio (per alcune leghe specifiche). Il tubo è limitato nel punto di attacco dalla flangia. Questo vincolo si traduce in sollecitazioni assiali cicliche nel tubo-sollecitazioni di trazione quando la flangia si espande più del titanio durante il riscaldamento e sollecitazioni di compressione durante il raffreddamento. L'entità della deformazione ciclica è proporzionale al prodotto della differenza CTE, dell'oscillazione della temperatura e della distanza dall'asse neutro. Per una lunghezza tipica di 200 mm dalla faccia della flangia al primo supporto, un'oscillazione di temperatura di 100 gradi con una differenza CTE di 4 × 10-6/grado dà uno spostamento differenziale di circa 0,08 mm per ogni ciclo. Questo spostamento, localizzato in corrispondenza della saldatura o del giunto meccanico, provoca deformazioni locali superiori allo 0,2%, ben all'interno dell'intervallo di fatica a basso numero di cicli.

Durata a fatica quantitativa basata sul materiale della flangia

La seguente resistenza alla fatica è stata ottenuta per tubi in titanio di grado 2 uniti a vari materiali di flangia utilizzando test a ciclo controllato (oscillazione della temperatura di 100 gradi, 5 minuti di calore, 5 minuti di raffreddamento):

Flangia in titanio (CTE corrispondente, 8,6 x 10-6 / grado): durata a fatica > 100.000 cicli. Nessuna discrepanza di dilatazione termica. La saldatura risente solo delle sollecitazioni di pressione e vibrazione. Disposizione preferita per il riscaldamento a vapore a ciclo elevato.

Flangia in acciaio al carbonio (disadattamento CTE di 3,4 x 10-6 / grado) Durata a fatica di 8.000-12.000 cicli fino all'inizio della fessurazione. Di solito si formano crepe vicino al piede di saldatura dopo 5.000-7.000 cicli. Adatto per applicazioni inferiori a 2 cicli al giorno (10+ anni di vita).

Flangia in acciaio inossidabile 316 (disadattamento CTE 7,4 × 10⁻⁶ / grado): durata a fatica 2.500–4.000 cicli fino all'inizio della frattura. L’ampio disadattamento del CTE genera un enorme stress ciclico. Da non utilizzare per i cicli giornalieri di vapore.

Flangia in Inconel (CTE 13,0 × 10−6/grado, disadattamento 4,4 × 10−6/grado): Durata a fatica 1.500–2.500 cicli Come l'acciaio inossidabile. La saldatura in titanio-Inconel presenta inoltre un rischio di corrosione galvanica nella condensa.

Flangia in acciaio rivestita in PTFE (PTFE CTE 100 x 10⁻⁶ / grado ma vincolata dall'acciaio): comportamento complesso. Il rivestimento in PTFE si deforma plasticamente, allentando il vincolo sul tubo in titanio. Buon design del rivestimento, durata a fatica 15.000-20.000 cicli.

Guida alla selezione del materiale della flangia per il servizio di riscaldamento a vapore

La tabella seguente fornisce un quadro decisionale per la selezione dei materiali delle flange di montaggio in base alla frequenza del ciclo di riscaldamento a vapore e alla temperatura operativa.

Frequenza e temperatura del ciclo di riscaldamento a vapore Materiale della flangia consigliato Soluzione di disadattamento CTE<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 cicli/giorno, vapore a 120–140 gradi Flangia in titanio (grado 2) saldata direttamente al tuboLa fatica termica come modalità di guasto viene eliminata con il CTE abbinato. La flangia ha un costo iniziale più elevato.
5-20 cicli al giorno, vapore a 140-160 gradi Flangia in titanio con giunto di dilatazione a soffietto I soffietti garantiscono l'espansione differenziale. Necessario per la manutenzione a cicli pesanti. Una maggiore longevità giustifica il costo aggiuntivo.
Flangia esistente in acciaio al carbonio, sono necessari cicli frequentiRicostruita con guarnizione flessibile in grafite (spessore 3 mm)La guarnizione si comprime di 0,3-0,5 mm per ciclo, assorbe lo spostamento termico. Sostituzione annuale della guarnizione.
Riscaldamento a vapore con raffreddamento ad acqua (shock termico, raffreddamento rapido)Solo flangia in titanio Il ciclo rapido aumenta gli effetti di disadattamento del CTE. Qualsiasi flangia metallica diversa si guasterà in 500 cicli.
Ingegneria oltre il solo materiale flangiato

Il diametro del tubo e lo spessore della parete influiscono sulla concentrazione delle sollecitazioni sull'attacco della flangia. Un diametro più ampio del tubo (50 mm contro 25 mm) distribuisce la deformazione ciclica su un raggio maggiore riducendo la sollecitazione locale del 30 – 40%. Pareti più spesse (2,0 mm vs. 1.0 mm) forniscono maggiore resistenza alla propagazione di una fessura da fatica una volta iniziata. La progettazione della saldatura è altrettanto importante: una saldatura a piena penetrazione con una transizione graduale (nessuna tacca netta sulla giunzione della flangia del tubo-) aumenta la resistenza alla fatica di 3-5 volte rispetto a una saldatura d'angolo con sottosquadro. L'attenuazione dello stress post-saldatura (550 gradi per 30 minuti) diminuisce le sollecitazioni di saldatura residue che aumentano fino alle sollecitazioni del ciclo termico.

Specificando con sicurezza

Quando si ordina un tubo riscaldante in titanio per il servizio di riscaldamento a vapore, selezionare una flangia in titanio della stessa qualità del materiale del tubo. Se le restrizioni di budget impongono l'uso di una flangia in acciaio al carbonio per un'applicazione, specificare una sezione di transizione flessibile-una lunghezza di 50–100 mm di tubo in titanio a parete sottile-(0,8 mm)-tra la flangia rigida e il tubo di riscaldamento. La parte cedevole si deforma elasticamente in base ai cicli di temperatura e assorbe il disadattamento di espansione senza danneggiare la saldatura. Trovare il numero medio di cicli termici durante la vita del riscaldatore. È accettabile l'acciaio al carbonio di transizione flessibile per 10.000 cicli o meno. Specificare una flangia in titanio solo per cicli superiori a 10.000. Ispezionare la saldatura della flangia del tubo-utilizzando coloranti penetranti ogni anno durante il servizio. Qualsiasi traccia di fessurazione deve essere immediatamente riparata o sostituita. L'ingegnere evita guasti nascosti dovuti all'affaticamento termico dei sistemi riscaldati a vapore-abbinando il materiale della flangia al tubo in titanio o fornendo caratteristiche di assorbimento dello stress-.