Vilken maximalt tillåten bågespänning vid 500 graders inre manteltemperatur styr 100 000 timmars krypbrottlivslängd för 316 värmerör i rostfritt stål

Designspänningsgrund för livslängd vid förhöjd temperatur

För 316 mantlade elektriska värmerör av rostfritt stål som används i luft- eller gasuppvärmningsapplikationer med hög temperatur med inre metalltemperaturer på 500 grader, och i innerväggen av mantlar nedsänkta i vätskor med lägre temperatur, är den maximala tillåtna ringspänningen för en 100 000 timmars krypbrottlivslängd en viktig designparameter. För en rumstemperaturkonstruktion är sträckgränsen grunden för den tillåtna spänningen, medan för en högtemperaturkonstruktion för krypbegränsad drift är spänningsnivåerna sådana att komponenten inte kommer att brista av krypkavitation och korngränssprickor under sin designlivslängd. För 316 rostfritt stål vid 500 grader är den genomsnittliga spänningen som orsakar brott inom 100 000 timmar (cirka 11,4 års kontinuerlig drift) cirka 120-140 MPa, beroende på den specifika värmekemin och kornstorleken. Den maximala tillåtna ringspänningen är 80-95 MPa med vanlig säkerhetsfaktor på 1,5 för design mot krypbrott (ASME Section VIII Division 2-metoden). Artikeln ger kvantifierade data för krypbrottsspänningar för 316 värmemantel i temperaturintervallet 450 grader till 650 grader och en metodik för att beräkna säkert drifttryck och väggtjocklek för drift med förhöjd temperatur.

Krypbrottsmekanism och Larson-Miller-kriteriet

För 316 rostfritt stål uppstår krypbrott genom korngränskavitation och sprickutbredning. Tiden till bristning varierar med temperaturen enligt en Arrhenius relation och med stress enligt en omvänd kraftlag. Larson-Miller-parametern (LMP=T × (C + log t_r), där T är den absoluta temperaturen i Kelvin, t_r är brotttid i timmar och C är en materialkonstant vanligtvis 15-20 för austenitiska rostfria stål) är ett sätt att extrapolera korttidslivskryptestdata för att förlänga testdata. Omfattande tester har utförts på 316 för att bestämma en 100 000 timmars krypbrottstyrka vid 500 grader mellan 110 MPa (nedre gräns, 95 % konfidens) och 150 MPa (övre gräns) med ett normalt medelvärde på 130 MPa. Brotthållfastheten vid 100 000 timmar är 60-90 MPa vid 550 grader. Och vid 600 grader sänks den till 30-50 MPa. Vid 650 grader är 100 000 timmars brottstyrka bara 15-25 MPa. Detta är under bågspänningen från inre tryck i de flesta värmarekonstruktioner och innebär att 316 inte kan uppnå 100 000 timmars livslängd vid 650 grader oavsett hur tjock väggen är, eftersom krypbrott kommer att vara ofrånkomligt. Det praktiska resultatet är att 316 mantlade värmare byggda för 100 000 timmars (11,4 år) kontinuerlig drift måste konstrueras så att den maximala driftmanteltemperaturen inte är högre än 530-550 grader beroende på det interna trycket.

Tillåten bågstress, kvantifierad för 100 000 timmars liv.

Tabell 4.3 visar den maximalt tillåtna bågspänningen för 316 rostfria värmerör med en krypbrottstid på 100 000 timmar vid temperaturer mellan 450 grader och 650 grader. Tre spänningsvärden tillhandahålls, dvs medelspänningen till brott (50 % överlevnad), den nedre gränsspänningen (95 % överlevnad, API/ASME-konstruktionsbas) och den föreslagna konstruktionens tillåtna spänningen (nedre gränsen dividerad med en säkerhetsfaktor på 1,25-1,5 beroende på kod. För design av värmaren bör den maximala tillåtna spänningen från värmaren vara den angivna inre väggspänningen, beräknas med den specificerade inre väggspänningen. formel: P max=2 t σ tillåt / D medelvärde, där t är väggtjockleken, D medelvärde är medeldiametern.

Temperatur (grad) Medelbrottspänning (MPa) 100 000 timmar Nedre gräns (95 % överlevnad) Rupturspänning (MPa) Rekommenderad design Tillåten spänning (MPa) (SF=1.4 på nedre gräns) Maximal bågespänning för 100 000 timmars livslängd (MPa) {6} {}} gräns för vanlig användning {6} {}}
500 120-150 100-130 70-95 85 Standarddesigngrund 525 85-110 70-95 50-70 60 Nedlagd design krävs 550 60-80 45-65 30-45 40 Kort-livslängd eller endast låg-belastning 575 40-55 30-45 20-30 25 Marginal för kontinuerlig service 600 25-40 18-30 12-20 15 Rekommenderas inte för 100 000 timmar 625 15-25 10-18 7-12 10 Oacceptabelt för lång livslängd
650 10-15 5-10 3-7 5 316 inte lämplig; uppgradera legering
Konvertering av inre tryck och väggtjocklek till tillåten spänning

Den rekommenderade konstruktionens tillåtna bågspänningen för en konventionell 316 värmemantel med 10 mm ytterdiameter och 1,5 mm väggtjocklek (medeldiameter 8,5 mm) är 85 MPa vid 500 grader, vilket ger ett maximalt inre tryck på P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 bar MPa (300). Detta är långt över alla möjliga tryck vid elpatron, vilket visar att krypbrott vid 500 grader inte är den begränsande faktorn för en sådan värmare – andra problem som oxidation eller termisk utmattning kommer att dominera. Vid stora diametrar eller hög temperatur blir krypningen begränsande. För en 20 mm OD-mantel med 2,0 mm vägg (medeldiameter 18 mm) vid 550 grader (tillåten spänning 40 MPa) är det maximala inre trycket bara Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 bar). Detta kan vara för lite för en värmare på 550 grader i ett trycksatt system (t.ex. överhettat vatten eller ånga vid 80-100 tryck). Designern bör öka väggtjockleken, sänka temperaturen genom att minska effekttätheten eller uppdatera materialet.

Faktorer som påverkar krypbrottstyrkan

Krypbrottstyrkorna i tabellen är för 316 fullständigt glödgad ASTM 6-8 (30-50 m) kornstorlek. Tre saker förändrar dessa värderingar. Den första är kornstorlek. Grovkornigt material (ASTM 3-5, 50-80 µm) uppvisar 10-20 % starkare krypbrottstyrka vid samma temperatur än finkornigt material eftersom korngränser är de dominerande krypkavitationsställena och grövre kornstorlekar innebär färre gränser per volymenhet material och därmed lägre densitet i kaviteten. Att gå till en minsta kornstorlek på ASTM 5 kan ge en extra marginal. Den andra komponenten är tidigare kallbearbetning: 10-20 % kallbearbetning ökar initial hållfasthet men orsakar snabb spänningsfrigöring och omkristallisation runt 500-600 grader, vilket leder till sämre långtidskryphållfasthet än helt glödgat material. Fullständigt glödgat är bättre för krypbegränsad service. Den tredje punkten är fördelningen av karbider. Material med fina intragranulära karbider (från korrekt lösningsglödgning) ger fällningsförstärkning vilket ökar krypmotståndet. Grova korngränskarbider (sensibilisering) minskar krypstyrkan eftersom karbiderna fungerar som kärnbildningsplatser för kaviteter. Fina intragranulära karbider inuti en lösningsglödgad mikrostruktur är nödvändiga för krypningsbegränsade applikationer

Praktisk bestämning av manteltemperatur för beräkningar av kryplivslängd

Temperaturen på den inre manteln (metalltemperaturen vid innerväggen som reglerar krypningen av det tryck-innehållande tvärsnittet- av värmaren i drift är högre än temperaturen på den yttre manteln uppmätt i processvätskan. Temperaturskillnaden över väggen är ΔT=(q × t) / k där q är värmeflöde (W/m2), t är väggtjocklek och k är värmeledningsförmåga på 316 (ca 20 W/m·K vid 500 grader). För en typisk varmvattenberedare med yttermanteltemperatur 90 grader och väggtjocklek 1,5 mm är den inre manteltemperaturen bara 1-2 grad högre, vilket är försumbart. Om den yttre manteltemperaturen är 600 grader, kan den inre manteltemperaturen vara 620-630 grader på grund av temperaturminskningen över väggen, vilket avsevärt kommer att minska kryptiden. Värmeflödet bör användas för att bestämma den beräknade innerväggstemperaturen när krypbrottsdata används snarare än den registrerade yttertemperaturen. Krypning är inte det livsbegränsande felläget i de flesta doppvärmningsapplikationer i vätskor. För luft- och gasuppvärmning över 500 graders utomhustemperatur måste krypning särskilt beaktas.

Sammanfattning: Tillämpning av krypbrottsdata på konstruktionen av 316-värmare

För 316 rostfritt stålkapslade värmare med en inre temperatur på 500 grader är den maximalt tillåtna bågspänningen för en 100 000 timmars (11,4 år) krypbrottlivslängd 85 MPa (rekommenderad design tillåten). Detta spänningsvärde tillåter regelbundna höljen med liten diameter (10 mm OD, 1,5 mm vägg) att klara av inre tryck upp till 300 bar – mycket utöver normala driftförhållanden. Vid 550 graders tillåten spänning reduceras till 40 MPa och vid 600 grader till 15 MPa, vilket gör krypbrottslivslängden begränsande för många värmarekonstruktioner. Ingenjörer som behöver 316 höljen för högtemperaturservice måste beräkna innerväggstemperaturen från värmeflödet och väggtjockleken och sedan välja väggtjocklek och arbetstryck så att den resulterande ringspänningen inte överstiger de tillåtna värdena i tabellen för den önskade livslängden. Arkitekturen som beskrivs här kopplar krypbrottsspänning med temperatur, tid och säkerhetsparametrar så att kunder kan konstruera 316 inkapslade värmare som kommer att fungera kontinuerligt i 100 000 timmar utan krypfel.