In quale combinazione specifica di temperatura e sollecitazione di trazione applicata avviene la transizione della guaina del riscaldatore 316L dalla rottura per scorrimento alla fatica-Guasto dominato a carico ciclico a 1 Hz (10.000.000 di cicli)

Limite di fatica ciclica elevato-vibrazioni per applicazioni di riscaldamento

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} cicli) carichi.

Meccanismo di interazione creep-fatica

A temperature più elevate la stanchezza e il creep interagiscono. Nella pura fatica il danno si accumula per ciclo come deformazione plastica. Nel puro creep il danno si accumula in funzione del tempo sotto stress. Ad alte temperature e basse frequenze (1 Hz è la bassa frequenza per le prove di fatica), ogni ciclo mantiene il picco di stress (solitamente 0,5 secondi per un'onda triangolare a 1 Hz). Durante questo tempo di permanenza può svilupparsi cavitazione viscosa. Il danno complessivo può essere scritto come regola di sommatoria del danno lineare: (N/Nf) + (t/tr)=Dcrit, dove N è il numero di cicli, Nf è il numero di cicli fino alla rottura in pura fatica (senza scorrimento), t è il tempo sotto stress e tr è il tempo necessario alla rottura in puro scorrimento. Il passaggio avviene quando i due contributi al danno sono uguali. Per carichi di riscaldamento medi (30-100 MPa) la temperatura di transizione è di circa 550-600 gradi per un carico di 1 Hz.

Durata ciclica quantificata (1 Hz) e resistenza allo scorrimento statico a diverse temperature

La rottura statica per scorrimento viscoso e le prove di fatica push{0}}pull controllate (R=0, forma d'onda triangolare, 1 Hz) di campioni di tubi 316L allo stesso picco di sollecitazione hanno prodotto i seguenti cicli di rottura e comportamento di transizione.

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 Fatica No (limite di resistenza ~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 (ma sopravvive a 107 cicli?) Marginale
Dipendenza dalla frequenza della temperatura di transizione

Il danno da scorrimento è favorito da frequenze più basse (durata di mantenimento più lunga al picco di stress) La fatica è favorita da frequenze più alte Per i riscaldatori, la vibrazione indotta dalla pompa- è spesso a 1 Hz.

Frequenza (Hz) Temperatura in cui i danni da scorrimento e fatica sono uguali (per carico di picco di 60 MPa) Temperatura Limite di fatica ciclo 10^7 (MPa, resa statica 50%)
0.1 500 grado 525 grado 0.5 530 grado 550 grado 1 550 grado 575 grado 2 570 grado 600 grado 5 600 grado 620 grado Raccomandazioni pratiche per installazioni di riscaldatori in luoghi soggetti a vibrazioni-

Riscaldatori rivestiti in 316L, situazioni-con vibrazioni elevate. Requisiti di progettazione e materiale per una durata di ciclo di 10⁷ a 1 Hz.

Ampiezza massima consentita della sollecitazione alternata per 107 cicli (MPa) Temperatura operativa massima (gradi) Posizionamento consigliato del riscaldatore Smorzamento aggiuntivo delle vibrazioni<200 200Standard rigid base200-300 180Rubber isolated, rigidElective 300-400 140Flexible mount (springs) Suggested
400-500 100 Isolamento dalle vibrazioni + supporto flessibile Richiesto 500-550 60Supporto mobile (nessuna connessione rigida) Necessario + Riduzione dello stress
550-600 30-40 Heat transfer with flexibility for remote mountingRequired (or upgrade to 347) >600Non applicabile (creep controllato) Upgrade a 347 o 310 N/A
Conclusione: fatica vs creep per 10 7 cicli di vita

Per le guaine del riscaldatore in acciaio inossidabile 316L, il passaggio dal guasto dominato dalla fatica al guasto dominato dallo scorrimento avviene a circa 550-600 gradi per carichi di 40-100 MPa a carico ciclico a 1 Hz (tipico per la vibrazione della pompa o la pulsazione guidata dal flusso). A 550 gradi l'ampiezza di sollecitazione alternata consentita per 10⁷ cicli (circa 4 mesi di vibrazione continua a 1 Hz) è 40-60 MPa; a 600 gradi si riduce a 20-40 MPa. Gli ingegneri che specificano riscaldatori per uso con vibrazioni elevate superiori a 500 gradi devono ridurre le sollecitazioni consentite o passare a leghe a temperatura più elevata (347, 310). A temperature inferiori a 500 gradi, il 316L può resistere a 10⁷ cicli con sollecitazioni comprese tra 100 e 180 MPa se la sollecitazione alternata (ampiezza della vibrazione) è regolata. Il quadro mostrato qui mette in relazione la temperatura, lo stress ciclico applicato e la frequenza con i limiti di resistenza alla fatica del ciclo 10 7. Pertanto, gli acquirenti possono selezionare design del riscaldatore e tecniche di montaggio che evitano guasti prematuri dovuti alla fatica ad alto numero di cicli in situazioni soggette a vibrazioni.