Ứng suất vòng tối đa cho phép ở nhiệt độ vỏ bên trong 500 độ chi phối tuổi thọ đứt gãy 100.000 giờ của ống gia nhiệt bằng thép không gỉ 316

Cơ sở ứng suất thiết kế cho tuổi thọ sử dụng ở nhiệt độ cao

Đối với các ống gia nhiệt điện có vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 được sử dụng trong các ứng dụng gia nhiệt không khí hoặc khí ở nhiệt độ cao với nhiệt độ kim loại bên trong là 500 độ và trong thành trong của vỏ bọc được ngâm trong chất lỏng có nhiệt độ thấp hơn, ứng suất vòng tối đa cho phép đối với tuổi thọ đứt quãng 100.000 giờ là một thông số thiết kế quan trọng. Đối với thiết kế ở nhiệt độ phòng, giới hạn chảy là cơ sở cho ứng suất cho phép trong khi đối với thiết kế ở nhiệt độ cao cho hoạt động hạn chế từ biến, mức ứng suất sao cho thành phần sẽ không bị đứt do hiện tượng xâm thực từ biến và nứt ranh giới hạt trong tuổi thọ thiết kế của nó. Đối với thép không gỉ 316 ở nhiệt độ 500 độ, ứng suất trung bình gây đứt trong 100.000 giờ (khoảng 11,4 năm hoạt động liên tục) là khoảng 120-140 MPa, tùy thuộc vào đặc tính nhiệt hóa học và kích thước hạt. Ứng suất vòng tối đa cho phép là 80-95 MPa với hệ số an toàn thông thường là 1,5 đối với thiết kế chống đứt gãy (phương pháp ASME Phần VIII Phân khu 2). Bài báo cung cấp dữ liệu định lượng về ứng suất đứt gãy của dây leo đối với vỏ bọc bộ gia nhiệt 316 ở nhiệt độ từ 450 độ đến 650 độ và phương pháp tính toán áp suất vận hành an toàn và độ dày thành cho dịch vụ nhiệt độ cao.

Cơ chế đứt gãy và tiêu chí Larson{0}}Miller

Đối với sự đứt gãy của thép không gỉ 316 xảy ra do sự xâm thực ranh giới hạt và sự lan truyền vết nứt. Thời gian để đứt thay đổi theo nhiệt độ theo quan hệ Arrhenius và với ứng suất theo định luật lũy thừa nghịch đảo. Thông số Larson-Miller (LMP=T × (C + log t_r), trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối tính bằng Kelvin, t_r là thời gian đứt gãy tính bằng giờ và C là hằng số vật liệu thường là 15-20 đối với thép không gỉ austenit) là một cách ngoại suy dữ liệu thử nghiệm độ rão ngắn hạn để kéo dài tuổi thọ sử dụng. Thử nghiệm mở rộng đã được thực hiện trên 316 để xác định cường độ đứt gãy của rão trong 100.000 giờ ở 500 độ trong khoảng từ 110 MPa (giới hạn dưới, độ tin cậy 95 %) đến 150 MPa (giới hạn trên) với giá trị trung bình bình thường là 130 MPa. Độ bền đứt ở 100.000 giờ là 60-90 MPa ở 550 độ. Và ở 600 độ, nó giảm xuống còn 30-50 MPa. Ở 650 độ, cường độ đứt 100.000 giờ chỉ là 15-25 MPa. Giá trị này thấp hơn ứng suất vòng do áp suất bên trong trong hầu hết các thiết kế lò sưởi và có nghĩa là 316 không thể đạt được tuổi thọ 100.000 giờ ở 650 độ cho dù tường có dày đến đâu, bởi vì hiện tượng đứt dây leo là không thể tránh khỏi. Kết quả thực tế là 316 lò sưởi có vỏ bọc được chế tạo để phục vụ liên tục 100.000 giờ (11,4 năm) phải được chế tạo sao cho nhiệt độ vỏ vận hành tối đa không lớn hơn 530-550 độ tùy thuộc vào áp suất bên trong.

Ứng suất vòng cho phép, được định lượng cho tuổi thọ 100.000 giờ.

Bảng 4.3 cho thấy ứng suất vòng tối đa cho phép đối với ống gia nhiệt bằng thép không gỉ 316 có tuổi thọ đứt gãy là 100.000 giờ ở nhiệt độ từ 450 độ đến 650 độ. Ba giá trị ứng suất được cung cấp, tức là ứng suất trung bình đến mức đứt (tỷ lệ sống 50%), ứng suất giới hạn dưới (tỷ lệ tồn tại 95%, cơ sở thiết kế API/ASME) và ứng suất cho phép thiết kế được đề xuất (giới hạn dưới chia cho hệ số an toàn 1,25-1,5 tùy thuộc vào mã. Đối với thiết kế của lò sưởi sử dụng ứng suất chấp nhận được đã chỉ định, áp suất bên trong tối đa phải được tính từ công thức ứng suất vòng thành mỏng: P max=2 t σ cho phép / D trung bình, trong đó t là độ dày thành, trung bình D là đường kính trung bình.

Nhiệt độ ( độ ) Ứng suất đứt trung bình (MPa) 100.000 giờ Giới hạn dưới (tỷ lệ sống 95%) Ứng suất đứt (MPa) Thiết kế đề xuất Ứng suất cho phép (MPa) (SF=1.4 ở giới hạn dưới) Ứng suất vòng tối đa cho tuổi thọ 100.000 giờ (MPa) Giới hạn ứng dụng điển hình 450 210-250 180-210 130-150 130 Dịch vụ không giới hạn 475 170-200 145-175 100-125 110 An toàn cho hầu hết các máy sưởi
500 120-150 100-130 70-95 85 Cơ sở thiết kế tiêu chuẩn 525 85-110 70-95 50-70 60 Yêu cầu thiết kế giảm bớt 550 60-80 45-65 30-45 40 Tuổi thọ ngắn-hoặc-áp lực thấp 575 40-55 30-45 20-30 25 Biên để sử dụng liên tục 600 25-40 18-30 12-20 15 Không nên dùng trong 100.000 giờ 625 15-25 10-18 7-12 10 Không được chấp nhận cho tuổi thọ lâu dài
650 10-15 5-10 3-7 5 316 không phù hợp; nâng cấp hợp kim
Chuyển đổi áp suất bên trong và độ dày thành thành ứng suất cho phép

Ứng suất vòng cho phép theo thiết kế được đề xuất đối với vỏ bọc bộ gia nhiệt 316 thông thường có đường kính ngoài 10 mm và độ dày thành 1,5 mm (đường kính trung bình 8,5 mm) là 85 MPa ở 500 độ, mang lại áp suất bên trong tối đa là P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 MPa (300 bar). Điều này cao hơn nhiều so với bất kỳ áp suất khả thi nào trong dịch vụ gia nhiệt ngâm, chứng tỏ rằng đứt gãy ở nhiệt độ 500 độ không phải là yếu tố hạn chế đối với lò sưởi như vậy – các vấn đề khác như quá trình oxy hóa hoặc mỏi nhiệt sẽ chiếm ưu thế. Ở vỏ bọc có đường kính lớn hoặc nhiệt độ cao, hiện tượng rão trở nên hạn chế. Đối với vỏ bọc OD 20 mm có thành 2,0 mm (đường kính trung bình 18 mm) ở góc 550 độ (ứng suất cho phép 40 MPa), áp suất bên trong tối đa chỉ là Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 bar). Điều này có thể là quá ít đối với lò sưởi ở 550 độ trong hệ thống điều áp (ví dụ: nước hoặc hơi quá nhiệt ở áp suất 80-100). Người thiết kế nên tăng độ dày thành, giảm nhiệt độ bằng cách giảm mật độ năng lượng hoặc cập nhật vật liệu.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sức mạnh đứt gãy của leo

Cường độ đứt gãy của dây leo trong bảng dành cho 316 cỡ hạt được ủ hoàn toàn theo tiêu chuẩn ASTM 6{14}}8 (30-50 m). Ba điều làm thay đổi những giá trị này. Đầu tiên là kích thước hạt. Vật liệu hạt thô (ASTM 3-5, 50-80 µm) thể hiện độ bền đứt gãy từ biến mạnh hơn 10-20 % ở cùng nhiệt độ so với vật liệu hạt mịn vì ranh giới hạt là vị trí xâm thực từ biến chiếm ưu thế và kích thước hạt thô hơn có nghĩa là ít ranh giới hơn trên một đơn vị thể tích vật liệu và do đó mật độ sâu răng thấp hơn. Đạt đến kích thước hạt tối thiểu theo tiêu chuẩn ASTM 5 có thể mang lại lợi nhuận bổ sung. Thành phần thứ hai là gia công nguội trước: gia công nguội 10-20 % tăng cường độ bền ban đầu nhưng gây ra sự giải phóng ứng suất nhanh và kết tinh lại ở khoảng 500-600 độ, dẫn đến độ bền rão lâu dài kém hơn so với vật liệu được ủ hoàn toàn. Được ủ hoàn toàn sẽ tốt hơn cho dịch vụ hạn chế leo. Điểm thứ ba là sự phân bố cacbua. Vật liệu có cacbua nội hạt mịn (từ quá trình ủ dung dịch chính xác) giúp tăng cường lượng mưa, làm tăng khả năng chống rão. Các cacbua ranh giới hạt thô (độ nhạy) làm giảm độ bền rão vì các cacbua đóng vai trò là vị trí tạo mầm cho các khoang. Các cacbua nội hạt mịn bên trong cấu trúc vi mô được ủ bằng dung dịch là cần thiết cho các ứng dụng bị ràng buộc bởi rão

Xác định thực tế nhiệt độ vỏ bọc để tính toán tuổi thọ của dây leo

Nhiệt độ của lớp vỏ bên trong (nhiệt độ kim loại ở thành trong điều chỉnh độ dãn của áp suất-chứa-mặt cắt ngang) của bộ gia nhiệt đang hoạt động cao hơn nhiệt độ của lớp vỏ bên ngoài đo được trong chất lỏng xử lý. Chênh lệch nhiệt độ giữa các bức tường là ΔT=(q × t) / k trong đó q là dòng nhiệt (W/m2), t là độ dày của tường và k là độ dẫn nhiệt 316 (khoảng 20 W/m·K ở 500 độ ). Đối với một máy nước nóng thông thường có nhiệt độ vỏ ngoài là 90 độ và độ dày thành 1,5 mm, nhiệt độ vỏ bên trong chỉ cao hơn 1{17}}2 độ là không đáng kể. Nếu nhiệt độ vỏ bọc bên ngoài là 600 độ, nhiệt độ vỏ bọc bên trong có thể là 620-630 độ do nhiệt độ xuyên qua tường giảm, điều này sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ của dây leo. Thông lượng nhiệt nên được sử dụng để xác định nhiệt độ thành bên trong được tính toán khi sử dụng dữ liệu đứt gãy từ biến thay vì nhiệt độ bên ngoài được ghi lại. Creep không phải là dạng hư hỏng giới hạn tuổi thọ trong phần lớn các ứng dụng gia nhiệt ngâm trong chất lỏng. Đối với việc làm nóng không khí và khí ở nhiệt độ bên ngoài trên 500 độ, độ rão phải được xem xét cụ thể.

Tóm tắt: Ứng dụng dữ liệu về độ đứt gãy của dây leo vào thiết kế máy sưởi 316

Đối với lò sưởi bọc thép không gỉ 316 có nhiệt độ bên trong là 500 độ, ứng suất vòng tối đa cho phép trong vòng đời đứt gãy 100.000 giờ (11,4 năm) là 85 MPa (cho phép thiết kế được khuyến nghị). Giá trị ứng suất này cho phép các vỏ bọc có đường kính nhỏ thông thường (đường kính ngoài 10 mm, thành 1,5 mm) chịu được áp suất bên trong lên tới 300 bar - vượt xa các điều kiện sử dụng thông thường. Ở 550 độ, ứng suất cho phép giảm xuống còn 40 MPa và ở 600 độ đến 15 MPa, làm cho tuổi thọ đứt gãy của dây leo bị hạn chế đối với nhiều thiết kế lò sưởi. Các kỹ sư cần vỏ bọc 316 cho dịch vụ nhiệt độ cao phải tính toán nhiệt độ thành trong từ thông lượng nhiệt và độ dày thành, sau đó chọn độ dày thành và áp suất vận hành sao cho ứng suất vòng tạo ra không vượt quá giá trị cho phép trong bảng để có tuổi thọ sử dụng mong muốn. Kiến trúc được mô tả ở đây liên kết ứng suất đứt gãy từ biến với các thông số nhiệt độ, thời gian và an toàn để khách hàng có thể xây dựng 316 lò sưởi có vỏ bọc sẽ hoạt động liên tục trong 100.000 giờ mà không bị hỏng từ biến.