Perché una guaina in acciaio inossidabile 316 con spessore della parete di 1,8 millimetri presenta una durata alla fatica termica più breve rispetto a una parete da 1,2 millimetri in un servizio di riscaldamento dell'aria ciclico a 250 gradi Celsius?

Per gli ingegneri che sviluppano riscaldatori elettrici a immersione per forni industriali, riscaldatori per condotti d'aria e camere a ciclo termico, la scelta dello spessore delle pareti della guaina è un compromesso-tra robustezza meccanica e resistenza alla fatica termica. Ironicamente, il gradiente di temperatura attraverso la parete porta a deformazioni termiche maggiori e, quindi, le pareti più spesse generalmente falliscono prima nel servizio ciclico di riscaldamento dell'aria. Quando si riscalda o si raffredda una guaina a pareti spesse in aria, la superficie esterna diventa significativamente più calda della superficie interna durante il riscaldamento e molto più fredda durante il raffreddamento, poiché il coefficiente di trasferimento del calore nell'aria è basso. 7. Questa espansione differenziale induce deformazioni plastiche cicliche che provocano fessurazioni per fatica. Questo documento valuta le ragioni del cedimento più rapido di una guaina 316 da 1,8 mm rispetto a una guaina da 1,2 mm nel funzionamento ciclico in aria a 250°C. Vengono forniti i dati sperimentali e i risultati dell'analisi agli elementi finiti.

Sviluppo del gradiente termico nelle guaine sottili e spesse in aria
Per il servizio di riscaldamento dell'aria, il coefficiente di scambio termico tra la superficie della guaina e l'aria circostante è solitamente 20–100 W/m²·K per convezione forzata, mentre per l'immersione in acqua è 1.000–10.000 W/m²·K. Il valore basso implica che la temperatura della superficie della guaina deve superare significativamente la temperatura dell'aria per trasferire il calore. Con una densità di 10 watt W/cm 2 , coefficiente di trasferimento del calore dell'aria 50 W/m 2 .K, differenziale di temperatura tra la superficie della guaina e l'aria compressa è di 200 o C. La temperatura superficiale della guaina deve essere di 450 gradi con una temperatura dell'aria complessiva di 250 gradi. La caduta di temperatura attraverso la parete della guaina viene calcolata utilizzando la legge di Fourier: ΔTwall=q*t/k dove q è il flusso di calore (100.000 W/m2), t è lo spessore della parete e k è la conduttività termica di 316 (15 W/mK). Per uno spessore della parete di 1,2 mm, ΔT_wall=100,000 × 0,0012 / 15=8 gradi . La temperatura sulla superficie interna è di 458 gradi. Per pareti da 1,8 mm: ΔTparete=100,000 × 0,0018 / 15=12 gradi . La temperatura all'interno è di 462 gradi. In entrambe le situazioni la differenza di temperatura attraverso la parete è modesta. Durante il riscaldamento transitorio dallo stato ambiente allo stato stazionario, tuttavia, la superficie esterna si riscalda più rapidamente della superficie interna. Dopo l'applicazione della potenza, entro 10 s, la superficie esterna di una guaina da 1,8 mm può raggiungere i 300 gradi, con la superficie interna a soli 50 gradi, fornendo un ΔT_wall transitorio di 250 gradi. Per la guaina da 1,2 mm, lo stesso transitorio fornisce ΔT_wall di ~170 gradi. Lo stress termico transitorio è proporzionale a \\Delta T_{wall} pertanto la guaina da 1,8 mm presenta uno stress termico transitorio maggiore del 47%.

Accumulo ciclico di deformazione plastica e danni da fatica
Se lo stress termico transitorio supera il limite di snervamento di 316 alla temperatura operativa-circa 200 MPa a 300 C-il materiale cede plasticamente. Ogni ciclo di riscaldamento induce un leggero incremento della deformazione plastica sulla superficie esterna durante il processo di riscaldamento e sulla superficie interna durante il processo di raffreddamento. Questa deformazione plastica si sviluppa nel corso di migliaia di cicli e alla fine provoca l'insorgenza di cricche da fatica. La fatica termica a basso-ciclo è governata dalla formula Coffin-Manson ( ) N f=Δε p C 1 (1) dove N f è il numero di cicli fino al cedimento, Δε p è l'intervallo di deformazione plastica per ciclo e C e sono costanti del materiale. Un piccolo cambiamento nella deformazione plastica riduce drasticamente i cicli fino al cedimento. L'analisi degli elementi finiti di 316 guaine in riscaldamento ciclico dell'aria da 20 gradi a 250 gradi di temperatura complessiva a 10 W/cm2 prevede i seguenti intervalli di deformazioni plastiche. Per uno spessore di parete di 1,2 mm, Δε_p=0.0012 (0,12%) e i cicli di vita previsti sono di circa 25.000. Per uno spessore di parete di 1,8 mm, Δε_p=0.0028 (0,28%) e cicli di rottura previsti di circa 8.000. Per uno spessore di parete di 2,5 mm, il Δε_p è 0,0055 (0,55%) con circa 2.500 cicli fino alla rottura. La validazione sperimentale su riscaldatori di prova sottoposti a cicli di temperatura dell'aria tra 20°C e 250°C a 10 W/cm^2 rivela cicli medi fino al guasto di 22.000 per 1,2 mm, 7.500 per 1,8 mm e 2.200 per 2,5 mm - eccellente accordo con le previsioni. Nonostante contenga il 50% di materiale in più, la guaina da 1,8 mm si rompe a circa 1/3 dei cicli della guaina da 1,2 mm.

Spessore della parete consigliato per il servizio di riscaldamento ad aria ciclico
La tabella seguente specifica gli spessori delle pareti della guaina 316 consigliati per i riscaldatori elettrici a immersione in servizio ciclico di riscaldamento dell'aria, a seconda della temperatura massima dell'aria, della densità di watt e del numero previsto di cicli termici durante la vita utile del riscaldatore.

Temperatura massima dell'aria in massa Densità Watt Cicli termici previsti nel corso della vita Spessore massimo consigliato della parete 316 Cicli di guasto previsti allo spessore consigliato Modalità di guasto
150 gradi 8 – 12 W/cm² < 5,000 2.0 mm 12.000 Esaurimento termico dopo 5,000+ cicli
150 gradi 8 – 12 W/cm² 5.000 – 15,000 1.6 mm 18.000 Margine di fatica termica
150°C 8 – 12 W/cm² >15,000 1.2 mm 25.000 Sicuro per 15,000+ cicli
200 gradi 6 – 10 W/cm² < 5,000 1.6 mm 15.000 Accettabile per servizio a basso-ciclo
200 gradi 6 – 10 W/cm² 5.000 – 10,000 1.2 mm 22.000 Consigliato per ciclo medio
200°C 6 – 10 W/cm² >10,000 1.0 mm 30.000 Parete sottile per servizi a-cicli elevati
250 gradi 5 – 8 W/cm2 Meno di 2,000 1.4 mm 14.000 Basso-ciclo accettabile 250 gradi 5 – 8 W/cm2 2,000 – 5,000 1.2 mm 22.000 Raccomandazione standard 250 gradi 5 – 8 W/cm2 Più di 5,000 1.0 mm 28.000 Sottile parete richiesta per cicli elevati-300 gradi 4 – 6 W/cm2 Meno di 1,000 1.2 mm 18.000 Marginale; considerare l'aggiornamento della lega 300 gradi 4 – 6 W/cm2 Oltre 1.000Non consigliato Inferiore a 10.000 Utilizzare Incoloy 800H per il servizio aereo
Per il riscaldamento ciclico dell'aria superiore a 250°C, l'acciaio inossidabile 316 è progressivamente marginale, indipendentemente dallo spessore della parete. L'elevato stress termico transitorio e la rapida ossidazione riducono notevolmente la durata a fatica. In questo caso, l'ingegnere dovrebbe specificare Incoloy 800H. Questo materiale ha una conduttività termica più elevata (circa 25 W/m·K a 300 gradi) e un coefficiente di dilatazione termica inferiore (14 × 10⁻⁶ / grado rispetto a 17 × 10⁻⁶ / grado per 316). Ciò riduce lo stress termico di circa il 30% a parità di spessore della parete.

Modifiche progettuali relative all'estensione della durata della fatica termica
Se è necessaria una guaina 316 a pareti spesse- superiore a 1,6 mm per il servizio ciclico di riscaldamento dell'aria a causa di vincoli meccanici o di corrosione, tre modifiche al progetto possono prolungare la durata della fatica termica. Il primo è rallentare la velocità di riscaldamento e raffreddamento. Un riscaldatore che impiega 60 secondi per raggiungere la temperatura massima invece di 10 secondi avrà gradienti di temperatura transitori sostanzialmente inferiori. Una velocità di rampa di 5 gradi/s produce valori ΔT_wall inferiori di circa il 40% rispetto a una rampa di 25 gradi/s, raddoppiando approssimativamente la durata a fatica termica. La seconda modifica consiste nel funzionamento a una temperatura minima di standby, anziché consentire il raffreddamento completo a temperatura ambiente. Per un riscaldatore che varia tra 150 e 250 gradi invece che tra 20 e 250 gradi, il ΔT_wall viene ridotto del 70%, il che porta ad un aumento da 5 a 10 volte della durata a fatica. Il terzo cambiamento consiste nel richiedere una ricottura post-per alleviare lo stress. la ricottura allevia le vantaggiose sollecitazioni residue di compressione sulla superficie esterna, ma allevia le sollecitazioni residue di trazione sulla superficie interna, che possono favorire la formazione di fratture. La resistenza alla fatica termica di una guaina ricotta da 1,8 mm è superiore di circa il 20 – 30% rispetto a quella di una guaina da 1,8 mm-rastremata. Il modo migliore e più semplice per ottenere una lunga durata alla fatica termica per la maggior parte delle applicazioni di riscaldamento dell'aria ciclico è utilizzare una guaina 316 da 1,2 mm o più sottile. La prestazione termica di una parete spessa 1,2 mm è migliore e la sua resistenza meccanica è sufficiente per i sistemi d'aria a bassa pressione. Gli ingegneri che richiedono istintivamente pareti più grandi per "durare" nel servizio di riscaldamento dell'aria scelgono accidentalmente un sistema che si romperà prima. Per ottenere le specifiche corrette è necessario comprendere che le pareti più sottili non sono meno robuste nei cicli termici. Quando si presentano i requisiti ai produttori di riscaldatori, indicare sempre il numero previsto di cicli termici e la velocità di rampa desiderata. Un esperto produttore di riscaldatori d'aria ciclici prescriverà uno spessore di parete adatto a questi fattori, non a regole generiche di resistenza meccanica.