Quale sollecitazione massima consentita del telaio a una temperatura interna della guaina di 500 gradi regola la durata di 100.000 ore di rottura per scorrimento dei tubi del riscaldatore in acciaio inossidabile 316

Base della sollecitazione di progetto per la durata di servizio a temperature elevate

Per i tubi di riscaldamento elettrico rivestiti in acciaio inossidabile 316 utilizzati in applicazioni di riscaldamento di aria o gas ad alta temperatura con temperature interne del metallo di 500 gradi e nella parete interna di guaine immerse in fluidi a temperatura più bassa, la sollecitazione massima consentita del cerchio per una durata di rottura da scorrimento di 100.000 ore è un parametro di progettazione importante. Per un progetto a temperatura ambiente, il limite di snervamento è la base per la sollecitazione ammissibile, mentre per un progetto ad alta temperatura per un funzionamento limitato allo scorrimento viscoso, i livelli di sollecitazione sono tali che il componente non si romperà per cavitazione di scorrimento viscoso e fessurazione ai bordi dei grani durante la sua vita di progetto. Per l'acciaio inossidabile 316 a 500 gradi, lo stress medio che provoca la rottura in 100.000 ore (circa 11,4 anni di funzionamento continuo) è di circa 120-140 MPa, a seconda della chimica termica specifica e della dimensione del grano. La massima sollecitazione circonferenziale consentita è 80-95 MPa con il consueto fattore di sicurezza di 1,5 per la progettazione contro la rottura da scorrimento viscoso (metodo ASME Sezione VIII Divisione 2). L'articolo fornisce dati quantificati sullo stress da rottura per scorrimento viscoso per le guaine del riscaldatore 316 nell'intervallo di temperature compreso tra 450 gradi e 650 gradi e una metodologia per calcolare la pressione operativa sicura e lo spessore delle pareti per il servizio a temperature elevate.

Meccanismo di rottura da scorrimento e criterio di Larson-Miller

Per l'acciaio inossidabile 316 la rottura per scorrimento viscoso avviene per cavitazione dei bordi dei grani e propagazione delle cricche. Il tempo di rottura varia con la temperatura secondo una relazione di Arrhenius e con lo sforzo secondo una legge di potenza inversa. Il parametro Larson-Miller (LMP=T × (C + log t_r), dove T è la temperatura assoluta in Kelvin, t_r è il tempo di rottura in ore e C è una costante del materiale solitamente 15-20 per gli acciai inossidabili austenitici) è un modo per estrapolare i dati delle prove di scorrimento a breve termine per durate di servizio estese. Sono stati eseguiti test approfonditi su 316 per determinare una resistenza alla rottura per 100.000 ore a 500 gradi compresa tra 110 MPa (limite inferiore, confidenza al 95%) e 150 MPa (limite superiore) con una media normale di 130 MPa. La resistenza alla rottura a 100.000 ore è di 60-90 MPa a 550 gradi. E a 600 gradi si abbassa a 30-50 MPa. A 650 gradi la resistenza alla rottura per 100.000 ore è di soli 15-25 MPa. Questo è inferiore alla sollecitazione del telaio dovuta alla pressione interna nella maggior parte dei modelli di riscaldatori e significa che il 316 non può raggiungere 100.000 ore di vita a 650 gradi, non importa quanto sia spesso il muro, perché la rottura da scorrimento viscoso sarà inevitabile. Il risultato pratico è che 316 riscaldatori con guaina costruiti per 100.000 ore (11,4 anni) di servizio continuo devono essere costruiti in modo tale che la temperatura operativa massima della guaina non sia superiore a 530-550 gradi a seconda della pressione interna.

Sollecitazione ammissibile del telaio, quantificata per 100.000 ore di vita.

La tabella 4.3 mostra la sollecitazione circolare massima consentita per i tubi del riscaldatore in acciaio inossidabile 316 con una durata di rottura per scorrimento di 100.000 ore a temperature comprese tra 450 gradi e 650 gradi. Vengono forniti tre valori di sollecitazione, ovvero la sollecitazione media alla rottura (sopravvivenza del 50%), la sollecitazione del limite inferiore (sopravvivenza del 95%, base di progettazione API/ASME) e la sollecitazione ammissibile di progettazione suggerita (limite inferiore diviso per un fattore di sicurezza di 1,25-1,5 a seconda del codice. Per la progettazione del riscaldatore utilizzando la sollecitazione accettabile specificata, la pressione interna massima deve essere calcolata dalla formula di sollecitazione del telaio a parete sottile: P max=2 t σ consentita / D media, dove t è lo spessore della parete, D mean è il diametro medio.

Temperatura (gradi) Sollecitazione di rottura media (MPa) Limite inferiore di 100.000 ore (sopravvivenza del 95%) Sollecitazione di rottura (MPa) Sollecitazione ammissibile di progettazione consigliata (MPa) (SF=1.4 sul limite inferiore) Sollecitazione massima del telaio per una durata di 100.000 ore (MPa) Limite di applicazione tipico 450 210-250 180-210 130-150 130 Servizio illimitato 475 170-200 145-175 100-125 110 Sicuro per la maggior parte dei riscaldatori
500 120-150 100-130 70-95 85 Base di progettazione standard 525 85-110 70-95 50-70 60 È richiesta una progettazione declassata 550 60-80 45-65 30-45 40 Breve-durata o basso-solo stress 575 40-55 30-45 20-30 25 Marginale per servizio continuo 600 25-40 18-30 12-20 15 Non consigliato per 100.000 ore 625 15-25 10-18 7-12 10 Inaccettabile per una lunga durata
650 10-15 5-10 3-7 5 316 non adatto; lega di aggiornamento
Conversione della pressione interna e dello spessore della parete in sollecitazione ammissibile

La sollecitazione circolare ammissibile consigliata per una guaina riscaldante 316 convenzionale con diametro esterno di 10 mm e spessore della parete di 1,5 mm (diametro medio 8,5 mm) è di 85 MPa a 500 gradi, che fornisce una pressione interna massima di P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 MPa (300 bar). Questa è ben al di sopra di qualsiasi pressione fattibile nel servizio del riscaldatore a immersione, dimostrando che la rottura per scorrimento viscoso a 500 gradi non è il fattore limitante per un riscaldatore di questo tipo: prevarranno altri problemi come l'ossidazione o la fatica termica. In caso di guaine di grande diametro o lo scorrimento ad alta temperatura diventa limitante. Per una guaina con diametro esterno di 20 mm con parete di 2,0 mm (diametro medio 18 mm) a 550 gradi (sollecitazione consentita 40 MPa) la pressione interna massima è semplicemente Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 bar). Questo potrebbe essere troppo piccolo per un riscaldatore a 550 gradi in un sistema pressurizzato (ad esempio acqua surriscaldata o vapore a una pressione di 80-100). Il progettista dovrebbe aumentare lo spessore delle pareti, abbassare la temperatura riducendo la densità di potenza o aggiornare il materiale.

Fattori che influenzano la resistenza alla rottura da scorrimento

Le resistenze alla rottura per scorrimento nella tabella si riferiscono alla granulometria 316 ASTM 6-8 (30-50 m) completamente ricotta. Tre cose alterano questi valori. Il primo è la dimensione del grano. Il materiale a grana grossa (ASTM 3-5, 50-80 µm) dimostra una resistenza alla rottura da scorrimento viscoso maggiore del 10-20% alla stessa temperatura rispetto al materiale a grana fine poiché i bordi dei grani sono i siti dominanti di cavitazione da scorrimento viscoso e le dimensioni dei grani più grossolani significano meno bordi per unità di volume di materiale e quindi una minore densità di cavità. Passare a una dimensione minima della grana ASTM 5 può fornire un margine aggiuntivo. Il secondo componente è la precedente lavorazione a freddo: il 10-20% della lavorazione a freddo aumenta la resistenza iniziale ma provoca un rapido rilascio dello stress e una ricristallizzazione intorno ai 500-600 gradi, portando a una resistenza allo scorrimento viscoso a lungo termine inferiore rispetto al materiale completamente ricotto. Completamente ricotto è migliore per un servizio limitato allo scorrimento viscoso. Il terzo punto è la distribuzione dei carburi. Il materiale con carburi intragranulari fini (da una corretta ricottura in soluzione) conferisce un rafforzamento delle precipitazioni che aumenta la resistenza allo scorrimento viscoso. I carburi grossolani a bordo grano (sensibilizzazione) riducono la resistenza allo scorrimento poiché i carburi agiscono come punti di nucleazione per le cavità. I carburi intragranulari fini all'interno di una microstruttura ricotta in soluzione sono necessari per applicazioni con vincoli di scorrimento viscoso

Determinazione pratica della temperatura della guaina per i calcoli della durata di scorrimento

La temperatura della guaina interna (la temperatura del metallo sulla parete interna che regola lo scorrimento della sezione trasversale-contenente la pressione-) del riscaldatore in servizio è superiore alla temperatura della guaina esterna misurata nel fluido di processo. La differenza di temperatura attraverso la parete è ΔT=(q × t) / k dove q è il flusso di calore (W/m2), t è lo spessore della parete e k è la conduttività termica di 316 (circa 20 W/m·K a 500 gradi). Per un tipico scaldabagno con temperatura della camicia esterna di 90 gradi e spessore della parete di 1,5 mm, la temperatura della camicia interna è solo 1-2 gradi più alta, il che è trascurabile. Se la temperatura della guaina esterna è di 600 gradi, la temperatura della guaina interna potrebbe essere di 620-630 gradi a causa della diminuzione della temperatura attraverso la parete, che ridurrà notevolmente la durata dello scorrimento. Il flusso di calore dovrebbe essere utilizzato per determinare la temperatura calcolata della parete interna quando si utilizzano i dati di rottura per scorrimento invece della temperatura esterna registrata. Il creep non è la modalità di guasto limitante nella maggior parte delle applicazioni di riscaldamento ad immersione nei liquidi. Per il riscaldamento di aria e gas con una temperatura esterna superiore a 500 gradi, è necessario considerare specificamente lo scorrimento viscoso.

Sommario: Applicazione dei dati di rottura da scorrimento alla progettazione di riscaldatori 316

Per i riscaldatori con rivestimento in acciaio inossidabile 316 con una temperatura interna di 500 gradi, la sollecitazione massima consentita del telaio per una durata di rottura da scorrimento di 100.000 ore (11,4 anni) è 85 MPa (progettazione consigliata consentita). Questo valore di sollecitazione consente alle guaine regolari di piccolo diametro (10 mm di diametro esterno, 1,5 mm di parete) di far fronte a pressioni interne fino a 300 bar, molto oltre le normali condizioni di servizio. A 550 gradi la sollecitazione consentita è ridotta a 40 MPa e a 600 gradi a 15 MPa, rendendo la vita alla rottura per scorrimento limitante per molti modelli di riscaldatori. Gli ingegneri che necessitano di guaine 316 per il servizio ad alta temperatura devono calcolare la temperatura della parete interna dal flusso di calore e dallo spessore della parete, quindi selezionare lo spessore della parete e la pressione operativa in modo tale che la sollecitazione del cerchio risultante non superi i valori consentiti nella tabella per la durata di servizio desiderata. L'architettura qui descritta collega lo stress da rottura da creep con parametri di temperatura, tempo e sicurezza in modo che i clienti possano costruire 316 riscaldatori incassati che funzioneranno continuamente per 100.000 ore senza guasti da creep.