Tại sao tuổi thọ mỏi nhiệt của vỏ sưởi bằng thép không gỉ 316 lại giảm phi tuyến tính khi độ dày thành vượt quá 1,8 mm trong dịch vụ hơi nước tuần hoàn?

Các chuyên gia bảo trì thiết bị khử trùng, sản xuất dược phẩm và chế biến thực phẩm thường bối rối trước kiểu hỏng hóc của lò sưởi ngâm thép không gỉ 316 trong chế độ hơi nước tuần hoàn. Một lò sưởi giống hệt nhau có độ dày thành 1,5 mm từ cùng một đợt sản xuất sẽ hoạt động trong năm năm trở lên, nhưng lò sưởi có độ dày thành 2,5 mm có thể bị hỏng trong vòng chưa đầy hai năm. Trong trường hợp cụ thể này, ý tưởng cho rằng các rào cản mạnh hơn mang lại độ bền cao hơn là không đúng. Điều này được cho là do sự phụ thuộc phi tuyến tính của độ dày thành vào việc tạo ra ứng suất nhiệt trong quá trình chuyển đổi nhiệt độ nhanh. Bài viết này định lượng quá trình mỏi nhiệt làm cho lớp vỏ 316 dày vừa phải có khả năng chống nứt theo chu kỳ tốt hơn so với các thiết kế rất mỏng hoặc rất dày.

Cơ chế sinh ứng suất nhiệt trong vỏ trụ
Ví dụ, một vỏ bọc inox 316 được làm nóng nhanh hoặc làm lạnh nhanh sẽ có bề mặt bên ngoài phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ sớm hơn bề mặt bên trong do hạn chế về khuếch tán nhiệt. Sự chênh lệch nhiệt độ này dẫn đến sự giãn nở nhiệt khác nhau. Phía nóng hơn cố gắng giãn nở nhưng bị phía lạnh hơn hạn chế. Điều này dẫn đến biến dạng nén hoặc kéo, tùy thuộc vào việc vỏ bọc đang nóng lên hay đang nguội đi. Để làm nóng nhanh từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ hơi nước (thường là 130-160 độ C), bề mặt bên ngoài nóng và bị nén còn bề mặt bên trong được làm mát và căng. Mô hình ứng suất đối nghịch được tạo ra bằng cách làm lạnh nhanh, chẳng hạn như trong buồng khử trùng bị ngập trong nước lạnh. Cường độ ứng suất nhiệt có liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ trên chiều dày thành. Đối với một tốc độ làm nóng hoặc làm mát nhất định, chênh lệch nhiệt độ sẽ tăng theo độ dày của tường. Tuy nhiên, mối liên hệ này không tuyến tính vì thời gian khuếch tán nhiệt tỷ lệ với bình phương độ dày. Nếu chúng ta tăng gấp đôi độ dày thành từ 1,0 mm lên 2,0 mm thì thời gian để thành trong đạt được nhiệt độ của thành ngoài tăng theo hệ số khoảng 4. Trong hoạt động tuần hoàn thực tế, vỏ bọc 2,0 mm có thể chịu chênh lệch nhiệt độ ngắn từ 80-100 độ trên toàn thành, dẫn đến ứng suất nhiệt gần bằng cường độ chảy của thép không gỉ 316. Vỏ bọc 1,2 mm ở cùng điều kiện có nhiệt độ thay đổi từ 30–40 độ và chịu ứng suất ít hơn.

Đường cong mỏi phi tuyến cho 316 vỏ bọc trong sử dụng tuần hoàn
Các nghiên cứu về chu trình nhiệt có kiểm soát trên 316 mẫu gia nhiệt có vỏ bọc cho thấy độ dày thành ống tối ưu cụ thể để có tuổi thọ mỏi tối đa. Các mẫu có độ dày thành 0,8 mm chịu được 15.000–20.000 chu kỳ trong khoảng từ 20 độ đến 150 độ mà không bị nứt. Thành mỏng tạo ra ứng suất nhiệt rất thấp nhưng độ dày tuyệt đối của thành lại hạn chế khả năng phát triển vết nứt khi vết nứt vi mô bắt đầu. Tuổi thọ dài nhất được quan sát thấy ở các mẫu có độ dày thành 1,2–1,5 mm và thường là 30.000–40.000 chu kỳ. Độ dày của tường cung cấp đủ khả năng chống lại sự xâm nhập của vết nứt và ứng suất nhiệt vẫn ở mức khiêm tốn. Các mẫu có độ dày thành 1,8-2,0 mm có tuổi thọ thấp hơn từ 12.000-18.000 chu kỳ. Ứng suất nhiệt trở nên quan trọng và mỗi chu kỳ làm cho hư hỏng do mỏi tích lũy nhanh hơn. Các mẫu có độ dày thành 2,5 mm sẽ hỏng sau 5.000–8.000 chu kỳ. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa bức tường dày gây ra ứng suất vượt quá giới hạn tỷ lệ của vật liệu. Mỗi chu kỳ dẫn đến biến dạng dẻo ở bề mặt bên trong hoặc bên ngoài. Bánh cóc nhựa này bắt đầu nứt nhanh chóng.

Hướng dẫn lựa chọn thực tế cho dịch vụ hơi nước tuần hoàn
Đối với các ứng dụng liên quan đến chu trình nhiệt giữa nhiệt độ môi trường và hơi nước hàng ngày hoặc thường xuyên hơn, áp dụng các hướng dẫn về độ dày thành sau đây. Đối với nồi hấp tiệt trùng chạy 2–4 chu kỳ/ngày với thời gian sử dụng mục tiêu là 5 năm thì hãy sử dụng độ dày thành 1,2–1,5 mm, chứ không phải các lựa chọn thay thế dày hơn thường được coi là chắc chắn hơn. Đối với các ứng dụng có chu kỳ cao, chẳng hạn như máy khử trùng y tế nhanh với 20-30 chu kỳ mỗi ngày, giảm xuống 1,0-1,2 mm và chấp nhận khoảng thời gian thay thế ngắn hơn từ 2-3 năm. Đối với việc sử dụng không liên tục với ít hơn 100 chu kỳ mỗi năm, độ dày thành 1,6–1,8 mm là có thể chấp nhận được vì hư hỏng mỏi tích lũy là nhỏ. Điểm chính là dày hơn không an toàn hơn. Khi chỉ định bộ gia nhiệt bằng hơi nước tuần hoàn, các kỹ sư nên yêu cầu nhà sản xuất cung cấp dữ liệu về thử nghiệm độ mỏi nhiệt hoặc cần xác nhận theo chu kỳ làm việc thực tế. Chi phí của một bộ gia nhiệt bị hỏng không chỉ là thay thế mà còn là thời gian ngừng hoạt động của quy trình và mất mát sản phẩm có thể xảy ra, khiến việc lựa chọn độ dày thành tối ưu trở thành một yêu cầu bắt buộc về mặt tài chính cũng như kỹ thuật.