Em que combinação específica Em que combinação específica de frequência do ciclo térmico e temperatura máxima da bainha uma bainha de aço inoxidável 316 de 1,0 milímetro se desenvolve através de-rachaduras na parede causadas por fadiga térmica em serviço de vapor intermitente?

Para engenheiros de fábrica, aquecedores elétricos de imersão em serviço de vapor intermitente, como câmaras de esterilização, sistemas de injeção de vapor e autoclaves, apresentam um risco específico de fadiga térmica devido à combinação de mudanças rápidas de temperatura e espessura de parede fina. Ao contrário das bainhas-de paredes espessas que eventualmente desenvolvem trincas superficiais, uma bainha 316 de 1,0 mm pode se desenvolver através de-trincas na parede em uma pequena fração dos ciclos devido à pequena distância para a propagação da trinca. O que conta não é a temperatura em si, mas a relação entre a frequência dos ciclos, a temperatura de pico e a taxa de aquecimento. Este trabalho determina a combinação da frequência do ciclo térmico e da temperatura máxima da bainha na qual uma bainha 316 de 1,0 mm desenvolve trincas na parede em 1.000 ciclos-a expectativa de vida útil normal para muitas aplicações de vapor intermitente.

Nucleação e crescimento de trincas por fadiga térmica em bainhas-de paredes finas
Por exemplo, o aquecimento rápido de uma bainha 316 à temperatura do vapor a partir da temperatura ambiente leva à expansão da superfície externa mais do que a superfície interna e, portanto, resulta em tensão de tração na parede interna. Sob resfriamento rápido a tensão é invertida. Para um diferencial de temperatura maior que o limite elástico do material, cada ciclo resulta num incremento de deformação plástica na superfície interna. A diferença crítica de temperatura através da parede para escoamento de uma parede de 1,0 mm é de cerca de 150 graus. No serviço-de vapor, com um coeficiente de transferência de calor de 5.000 a 10.000 W/m2K, o diferencial de temperatura através de uma parede de 1,0 mm em um ciclo de 20 a 150 graus é de apenas 5 a 10 graus, consideravelmente abaixo do limite de rendimento. Mas com serviço de vapor-seco ou superaquecido, o coeficiente de transferência de calor diminui drasticamente e o gradiente de temperatura aumenta. Para uma parede de 1,0 mm, a diferença de temperatura pode ser de 50 a 80 graus nas temperaturas de pico da bainha excedendo 300 graus no ar ou vapor de baixa qualidade, ainda abaixo do limite de 150 graus. O perigo real com paredes de 1,0 mm não é o aquecimento uniforme, mas sim manchas quentes localizadas de depósitos de incrustações, sombras de fluxo ou densidade de watts desigual. O ponto quente local com diâmetro de 5 a 10 mm pode causar uma diferença de temperatura de 200 a 300 graus através da parede e rápida iniciação de trincas.

Limites críticos para fissuras-na parede em revestimento de 1,0 mm
Testes controlados de fadiga térmica de amostras de bainha 316 de 1,0 mm com pontos quentes induzidos (simulando depósitos de incrustações) foram usados ​​para determinar as contagens de ciclo específicas até-fissuras na parede em vários picos de temperatura e frequências de ciclo.

Diferença máxima de temperatura de temperatura da bainha por ciclo Ciclos até início de fissura Ciclos até passagem-Rachadura na parede (1,0 mm) Taxa de aquecimento até passagem-Rachadura na parede em 1.000 ciclos
200 graus 170 graus (30 graus - 200 graus) 8.000 – 12,000 10.000 – 15.000 Alcançável abaixo de 1.000 ciclos
250 graus 220 graus (30 graus –250 graus) 3.000 – 5,000 4.000 – 7.000 Não é possível < 1.000 ciclos
300 graus 270 graus (30 graus a 300 graus) 1.200 – 2,000 1.500 – 2.500 Não é possível abaixo de 1.000 ciclos
350 graus 320 graus (30 graus a 350 graus) 500 - 800 700 - 1,200 50 - 100 graus /seg 400 graus 370 graus (30 graus a 400 graus) 200 - 400 300 - 600 30 - 50 graus /seg 450 graus 420 graus (30 graus a 450 graus ) 80 – 150 120 – 250 15 – 30 graus/seg 500 graus 470 graus (30 graus a 500 graus) 30 – 60 50 – 100 8 – 15 graus/seg
Para uma aplicação de vapor limpo a 150 graus, a fadiga térmica não é um problema para uma bainha 316 de 1,0 mm, independentemente da frequência dos ciclos. A diferença de temperatura na parede não é suficiente para produzir deformação plástica. O risco é substancial em temperaturas de pico acima de 350 graus, típicas de vapor superaquecido ou situações de{6}secura . Com uma taxa de 20 graus por segundo, um aquecedor que seca e atinge 450 graus pode produzir-rachaduras na parede em apenas 200 ciclos.

Envelope operacional seguro com bainha de 1,0 mm em serviço de vapor intermitente.
É usado um critério de 5.000 ciclos sem fissuras-na parede, equivalente a uma vida útil normal de 5 a 10 anos para operação cíclica diária. O envelope operacional seguro para uma bainha 316 de 1,0 mm em serviço de vapor intermitente é definido na tabela a seguir.

Temperatura máxima da bainha Taxa máxima de aquecimento seguro (graus /seg) Ciclos máximos de segurança por dia Ciclos esperados de passagem-Rachadura na parede em condições seguras Ação recomendada acima dos limites Até 200 graus Qualquer Qualquer acima de 10,000 316 aceitável 200 - 250 graus 50 graus /seg 10 8.000 - 12.000 Aceitável 250 - 300 graus 30 graus /seg 5 6.000 – 10.000 Monitor para dimensionamento 300 – 350 graus 15 graus /seg 2 5.000 – 8.000 Reduza a taxa de aquecimento ou atualize 350 – 400 graus 8 graus /seg 1 4.000 – 6,000 316 marginal; considere Incoloy 400 – 450 graus 4 graus /seg 0.5 3.000 – 5.000 Atualizar para Incoloy 800H Acima de 450 graus Não recomendado Não recomendado Menos de 3.000 Use liga à base de níquel
Para uma autoclave de esterilização que opera com vapor ambiente a 140 graus, duas vezes por hora (16 ciclos por dia), a temperatura máxima da bainha está muito abaixo de 200 graus e a fadiga térmica não é um problema, independentemente da taxa de aquecimento. A bainha de 1,0 mm é o mínimo para um superaquecedor que aquece vapor a 400 graus com 4 ciclos/dia e uma taxa de aquecimento de 10 graus/s. Reduzir a taxa de aquecimento para 5 graus/seg ou aumentar a espessura da parede para 1,6 mm traria de volta uma vida útil razoável à fadiga.

Alterações de projeto para evitar fadiga térmica de bainhas-de paredes finas
Três alterações de projeto podem evitar-rachaduras na parede quando uma bainha 316 de 1,0-mm-de espessura deve operar acima de 350 graus em temperaturas máximas em uso intermitente. A primeira é diminuir a taxa de aquecimento utilizando um controlador proporcional em vez de um termostato liga-desligado. O gradiente de temperatura é reduzido em cerca de 60% quando a taxa de rampa é reduzida de 20 graus/seg para 5 graus/seg e a vida à fadiga é aumentada em uma proporção de 3-5. A segunda mudança é evitar situações-de ressecamento na bainha. Um intertravamento com o controle do aquecedor interrompe a operação se a qualidade do vapor cair abaixo de 95% (sensor de nível). A terceira alteração é a necessidade de uma superfície de bainha com shot peened ou com alívio de tensão. Shot peening ou recozimento pós-estampagem resulta em tensões residuais compressivas que podem retardar o início da fratura por um fator de 2 a 3, neutralizando as tensões de tração que causam a propagação de trincas.. 1.0 mm A bainha 316 fornece excelente resistência à fadiga térmica para a maioria das aplicações de vapor intermitente abaixo da temperatura de pico de 300 graus. Se a temperatura estiver acima de 350 graus, os engenheiros devem aumentar a espessura da parede para 1,6–2,0 mm ou atualizar para o Incoloy 800H. A diferença de custo é pequena em comparação com o risco de falha inesperada relacionada a trincas em um sistema de vapor pressurizado. Sempre mencione a temperatura de pico estimada do revestimento, a taxa de aquecimento e a frequência dos ciclos ao especificar aquecedores para serviço de vapor intermitente. Não oferecer orientação completa de engenharia é o que um fabricante faz quando recomenda 1,0 mm 316 para vapor superaquecido a 400 graus, sem abordar os limites de fadiga térmica. Uma fissura através da parede de 1,0 mm desenvolve-se com um mínimo de aviso, uma vez originada uma fractura, propagando-se através da parede restante numa pequena fracção dos ciclos de iniciação. A especificação correta é uma medicina preventiva muito melhor do que a inspeção ou a previsão.