Khi sử dụng ống gia nhiệt bằng titan trong thiết bị bay hơi máy làm lạnh nước muối (Ngâm trong nước muối 20% CaCl₂ ở -Chu kỳ bơm nhiệt 20 độ đến 40 độ), Độ dày của tường ảnh hưởng như thế nào đến nguy cơ giòn và gãy xương ở nhiệt độ thấp?

Sự đánh đổi cơ bản-trong thiết kế bộ gia nhiệt bằng titan cho dịch vụ ngâm nước muối dưới 0 độ
Thiết bị bay hơi làm lạnh bằng nước muối sử dụng nước muối canxi clorua (CaCl2) 20% làm chất làm lạnh thứ cấp, hoạt động ở -20 độ (bay hơi) và 40 độ (ngưng tụ/rã đông). Đôi khi có những ống sưởi bằng titan được đặt để rã đông hoặc duy trì nhiệt độ. Titan có nhiệt độ chuyển tiếp từ dẻo sang giòn dưới 0. Titan vẫn có độ dẻo ở mức -250 độ, không giống như thép carbon, tuy nhiên, các vết khía, lực căng dư hoặc hydro có thể gây gãy giòn dưới -10 độ. Độ dày thành ảnh hưởng đến tình trạng ứng suất ở đầu rãnh và tốc độ làm mát trong quá trình luân nhiệt. Phân tích ước tính nguy cơ nứt gãy do giòn ở nhiệt độ thấp trong các ống gia nhiệt bằng titan có chu kỳ từ -20 độ đến 40 độ và tính toán độ dày thành để giảm thiểu rủi ro này.

Ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cơ học: Sự chuyển đổi từ dẻo sang giòn ở Titan
Titan loại 2 có cấu trúc tinh thể hình lục giác đóng kín (HCP). Kim loại HCP, không giống như thép BCC, không có nhiệt độ chuyển tiếp dễ uốn từ{2}}đến-giòn. Titanium thể hiện năng lượng va chạm Charpy trên 50 J xuống tới -50 độ . Tuy nhiên, độ bền khi gãy giảm ở nhiệt độ dưới{12}}0, trong khi có vết khía sắc nét (ví dụ: chân mối hàn, vết xước hoặc vết rỗ). Độ bền đứt gãy biến dạng phẳng K_IC của titan cấp 2 ở 20 độ là khoảng 100 MPa√m và ở -20 độ giảm xuống 70–80 MPa√m. Nếu bạn có một vết khía kết hợp với ứng suất kéo còn sót lại (do uốn hoặc hàn), bạn có thể bị gãy giòn. Vẫn còn khá khó khăn.

Độ dày của thành ảnh hưởng đến lực căng ba trục ở đầu khía. Độ dày càng cao thì ràng buộc càng mạnh, tức là độ ba trục của trạng thái ứng suất (gần biến dạng phẳng) càng lớn dẫn đến giảm độ bền đứt gãy biểu kiến. Người ta quan sát thấy rằng tường 2,0 mm có giới hạn cao hơn tường 1,0 mm và do đó dễ bị gãy giòn hơn ở nhiệt độ thấp. Các tính toán dựa trên cơ học đứt gãy chỉ ra rằng kích thước đứt gãy tới hạn đối với vết nứt giòn ở -20 độ đối với tường 1,0 mm là khoảng 2 mm. Đối với tường 2,0 mm là 1,5 mm. Tường dày hơn dễ bị lỗi nhỏ hơn.

Ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt: Tốc độ làm mát và ứng suất nhiệt
Trong quá trình chuyển đổi từ 40 độ sang −20 độ, vỏ titan và các bộ phận bên trong (MgO, dây điện trở) nén ở các tốc độ khác nhau, tạo ra ứng suất nhiệt. Ứng suất nhiệt $\\sigma_{thermal}=E*\\alpha*\\Delta T=105 GPa * 8.6e-6 * 60=54 MPa, thấp hơn nhiều so với năng suất. Nhưng trong hoạt động chu kỳ lạnh của lò sưởi, việc gia nhiệt bằng điện bổ sung dẫn đến hình thành một dải nhiệt độ xuyên qua tường. Tường dày hơn (2,0 mm) hiển thị độ dốc lớn hơn (ΔT_cond=2.5 độ ở 2,0 W/cm²) so với tường mỏng hơn (1,2 độ ). Độ dốc cũng tạo ra ứng suất uốn trên bề mặt bên trong.

Đánh đổi-sự tổng hợp: độ dày thành và nguy cơ nứt-ở nhiệt độ thấp
Độ dày thành (mm) Độ bền gãy KIC ở -20 độ (MPa√m)Kích thước khuyết tật nghiêm trọng đối với gãy xương (mm) Ứng suất dư do uốn (MPa)Nguy cơ gãy xương ở nhiệt độ thấp
0,8 mm 80 (ứng suất phẳng chiếm ưu thế) 2,5 mm 50 MPa Thấp 1,0 mm 78 (chế độ hỗn hợp) 2,2 mm 55 MPa Thấp 1,2 mm 75 (chế độ hỗn hợp) 1,9 mm 60 MPa Thấp-Trung bình
1,5 mm 72 (biến dạng phẳng tiếp cận) 1,6 mm 65 MPa Trung bình 2,0 mm 68 (biến dạng phẳng) 1,3 mm 75 MPa Trung bình-Cao
Các bức tường dày hơn có độ bền nứt ít hơn (hạn chế lớn hơn) và có kích thước đứt gãy nghiêm trọng nhỏ hơn, do đó dễ bị gãy giòn hơn do các khuyết tật nhỏ.

Kỹ thuật vượt tường: Hợp kim và kiểm soát khuyết tật
Vì nguy cơ gãy xương bị chi phối bởi kích thước và hạn chế của khuyết tật nên việc giảm thiểu các khuyết tật sẽ hiệu quả hơn việc thay đổi độ dày thành. Đánh bóng bằng điện bề mặt titan (Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,2 µm) giúp loại bỏ các vết khía sắc nhọn và giảm sự tập trung ứng suất. Các khu vực điển hình nhất dễ bắt đầu đứt gãy được loại bỏ bằng cách đảm bảo rằng các mối hàn được mài nhẵn (không có vết cắt). Tăng lên titan loại 1 (ít sắt và oxy hơn, độ dẻo cao hơn) giúp cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp. Lớp 1 có K_IC là 90–100 MPa√m ở -20 độ, do đó về cơ bản nó không bị gãy giòn ngay cả ở độ dày thành 2,0 mm. Đối với dịch vụ ở nhiệt độ rất thấp, loại 1 được ưu tiên.

Kết luận: Thành mỏng (1,0 – 1,2 mm) Thuận lợi cho dịch vụ Không chứa nước muối-
Nguy cơ bị giòn và gãy ở nhiệt độ thấp-đối với ống gia nhiệt titan trong nước muối 20% CaCl2 với chu kỳ -20 độ và 40 độ khi độ dày thành mỏng hơn (1,0–1,2 mm) so với khi dày hơn (1,8–2,0 mm). Các bức tường dày hơn có độ ba trục ứng suất cao hơn (ràng buộc) làm giảm độ bền vết nứt rõ ràng và giảm kích thước lỗi nghiêm trọng đối với vết nứt giòn. Ở -20 độ, bức tường 2,0 mm có thể bị vỡ do lỗi 1,3 mm, trong khi bức tường 1,0 mm có thể chịu được lỗi 2,2 mm. Thông số kỹ thuật được khuyến nghị là độ dày thành titan Cấp 1 hoặc Cấp 2 là 1,0-1,2 mm, bề mặt được đánh bóng bằng điện và các mối hàn được mài mịn. Nên tránh các bức tường dày hơn (Lớn hơn hoặc bằng 1,5 mm) ngoại trừ việc nâng cấp lên titan Loại 1. Cung cấp cho nhà sản xuất nhiệt độ sử dụng tối thiểu và kích thước lỗi dự kiến ​​(ví dụ: vết xước, vết cắt dưới mối hàn). Chất pha loãng tốt hơn giúp chống gãy xương trong dịch vụ làm lạnh nước muối với chu trình dưới 0.