Vad är den kvantitativa termiska stressen (MPa) som utvecklas i en 2,5 mm tjock titanvärmevägg under en släckning från 95 grader till 20 graders vatten?

En processingenjör som är oroad över värmechockskador på en tjock-väggig titanvärmare (2,5 mm) efter kylning från 95 grader till 20 graders vatten kan bestämma den kvantitativa termiska spänningen som skapas i väggen från termisk spänningsekvation för ett snabbt kylt rör. Maximal termisk spänning (σ th ) uppstår på den inre ytan (förutsatt att snabb kylning från utsidan) och ges av: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) Där E är elasticitetsmodulen (110 GPa), är värmeutvidgningskoefficienten (8,6 × 10 -6 är temperaturen), Δ grad är ändringen, ν grad är ), ν grad är ), Poissons förhållande (0,34) och f( ) är en geometrifaktor som beror på Biot-talet (avkylningshastighet). För ett tjockt-väggigt rör (t=2.5 mm, OD=25 mm) släckt i vatten (h=1 000-5 000 W/m²K, biottal > 10) f( ) ≈ 1,0 (fullständig termisk chock). Den beräknade termiska spänningen är σ_th=(110 × 10 9 × 8,6 × 10 6 × 75) / (1 − 0,34)=(110e9 × 6,45e-4) / 0.66=(71} × {{38} MP) Denna spänning är cirka 39 procent av sträckgränsen (275 MPa) och 54 procent av den maximala draghållfastheten (345 MPa). Termisk utmattningssprickning kan induceras av upprepade termiska stötar (100-1 000 cykler) vid spänningar under sträckgränsen.

Mekanism för bildning av termiska spänningar under härdning
Om en het tub av titan sänks ner i kallt vatten kyls ytterytan och komprimeras snabbt. Den inre ytan, som förblir varm, motverkar denna sammandragning, vilket sätter den yttre ytan i spänning och den inre ytan i kompression (för ett rör kylt från utsidan). För höga värmeöverföringskoefficienter (h > 5 000 W/m²K) kan temperaturskillnaden över väggtjockleken vara 30-50 grader för en 2,5 mm vägg under de första sekunderna av härdningen. Den termiska spänningen är relaterad till den momentana temperaturskillnaden över väggen, och den är maximal vid cirka 0,3-0,5 $\\x$$\\Delta T_{total}$. De beräknade 108 MPa är den maximala spänningen under härdningen. Om sträckgränsen överskrids sker plastisk deformation och kvarvarande dragspänningar finns efter kylning, vilket ökar känsligheten för spänningskorrosionssprickor.

Kvantifiering av termisk stress som en funktion av väggtjocklek och släckningsgrad
Väggtjocklek t (mm) Släckning Medium Värmeöverföringskoefficient h (W/m 2 K) Max ΔT över vägg (grad) Termisk spänning (MPa) % av utbyte (275 MPa) Fara för plastisk deformation
1,5 Stilla vatten (milt) 500 15 22 8%Inget 1,5 Omrört vatten 2,000 30 43 16% Inget
1,5 Släck (kallt vatten) 5,000 45 65 24% Ingen
2,0 Quench (kallt vatten) 5,000 55 79 29% Ingen 2,5 Quench (kallt vatten) 5,000 65 108 39% Ingen (elastisk)
3.0 Quench (Kallt vatten) 5,000 75 125 45% Ingen (Elastisk)
2,5 Isvatten (0 grader, ΔT=95 grad) 10,000 85 140 51% Nära avkastning
3.0 Isvatten (0 grader) 10000 100 165 60%Plastisk deformation är trolig
En scenariebaserad-guide till termisk chockhantering
Driftskick och härdtyp Väggtjocklek (mm) Termisk spänning (MPa) Sprickrisk Rekommenderad åtgärd:
Normal avstängning, luftkyld (långsam) 1,5-3,0 < 10 IngentingInga problem
Normal avstängning, vattensköljning (varm) 1.5-2.0 20-40 Inget acceptabelt
Nödsläckning (kallt vatten, en-gång) 2.5 108 Låg (en-gång) Acceptabel. Kontrollera efter händelsen.
Nödsläckning (isvatten, enstaka incident) 2.5 140 Måttlig (kan ge efter lokalt) Ta bort värmaren för undersökning Varpkontroll.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) med vattensläckning Minskad kylhastighet.
Frekvent (daglig) släckning Alla > 2,0 > 100 Hög (utmattningssprickor) Använd rampkylning (kontrollerad hastighet) istället för släckning.
Quench from high temperature (>150 grader) 2,5 > 200 Allvarlig Rekommenderas inte. Använd långsam kylning eller annat ämne.
Teknisk begränsning av härdning-inducerad termisk stress
Termisk släckning är oundviklig på tjocka-väggar i titanvärmare, men det finns tre begränsningar som hjälper till att minska termisk stress. Den första begränsningen är användningen av varmt släckvatten (40-50 grader vs. 20 grader). Att minska ΔT från 75 grader till 45 grader minskar den termiska spänningen från 108 MPa till 65 MPa (40 % minskning), spänningen långt under flytande. Den andra begränsningen är att använda stillastående vatten istället för omrört vatten (h=500 W/m2K istället för 5 000) för att öka härdningstiden. Den reducerade värmeöverföringskoefficienten minskar temperaturgradienten genom väggen, vilket minskar toppspänningen till 22 MPa för en 2,5 mm vägg. Den tredje begränsningen är förkylning av värmaren i luft före vattensläckning. Kylning i luft från 95 grader till 60 grader (10 min) följt av släckning minskar ΔT från 75 grader till 40 grader och därmed termisk stress.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C Släckning
En 2,5 mm tjock värmarvägg av grad 2 titan upplever en kvantitativ termisk spänning på cirka 108 MPa under en härdning från 95 grader till 20 graders vatten med en värmeöverföringskoefficient på 5 000 W/m2K (omrört vatten). Denna spänning är 39 % av materialets sträckgräns (275 MPa) och 54 % av den maximala draghållfastheten (345 MPa). Spänningen är fortfarande i det elastiska området så att en enda härdning inte kommer att generera plastisk deformation eller snabbt brott. Upprepade värmesläckningar (100-1 000 cykler) kan framkalla termisk utmattningssprickning, särskilt vid svetsar, repor eller andra spänningskoncentratorer. Varmt släckvatten (40-50 grader), måttlig kylning i stillastående vatten och luftförkylning före släckning rekommenderas för att förbättra värmarens livslängd. Där frekvent härdning behövs minskar sänkning av väggtjockleken till 1,5-2,0 mm den termiska spänningen till 65-79 MPa, väl inom det säkra elastiska området.