Qual é a tensão máxima permitida do aro na temperatura interna da bainha de 500 graus que rege a vida útil de ruptura por fluência de 100.000 horas da tubulação do aquecedor de aço inoxidável 316

Base de tensão de projeto para vida útil em temperatura elevada

Para tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 316 usados ​​em aplicações de aquecimento de ar ou gás de alta temperatura com temperaturas internas de metal de 500 graus, e na parede interna de bainhas imersas em fluidos de baixa temperatura, a tensão circular máxima permitida para uma vida de ruptura por fluência de 100.000 horas é um parâmetro de projeto importante. Para um projeto à temperatura ambiente, o limite de escoamento é a base para a tensão admissível, enquanto que para um projeto de alta temperatura para operação limitada por fluência, os níveis de tensão são tais que o componente não romperá por cavitação por fluência e rachaduras nos limites dos grãos durante sua vida útil de projeto. Para aço inoxidável 316 a 500 graus, a tensão média para causar ruptura em 100.000 horas (cerca de 11,4 anos de operação contínua) é de cerca de 120-140 MPa, dependendo da química térmica específica e do tamanho do grão. A tensão circular máxima permitida é de 80-95 MPa com fator de segurança usual de 1,5 para projeto contra ruptura por fluência (método ASME Seção VIII Divisão 2). O artigo fornece dados quantificados de tensão de ruptura por fluência para bainhas de aquecedor 316 na faixa de temperatura de 450 graus a 650 graus e uma metodologia para calcular a pressão operacional segura e a espessura da parede para serviços em temperatura elevada.

Mecanismo de ruptura de fluência e o critério de Larson-Miller

Para o aço inoxidável 316, a ruptura por fluência ocorre por cavitação nos limites dos grãos e propagação de trincas. O tempo de ruptura varia com a temperatura de acordo com uma relação de Arrhenius e com a tensão de acordo com uma lei de potência inversa. O parâmetro Larson-Miller (LMP=T × (C + log t_r), onde T é a temperatura absoluta em Kelvin, t_r é o tempo de ruptura em horas e C é uma constante de material geralmente 15-20 para aços inoxidáveis ​​austeníticos) é uma forma de extrapolar dados de teste de fluência de curto prazo para vidas úteis prolongadas. Testes extensivos foram realizados em 316 para determinar uma resistência à ruptura por fluência de 100.000 horas a 500 graus entre 110 MPa (limite inferior, 95% de confiança) e 150 MPa (limite superior) com uma média normal de 130 MPa. A resistência à ruptura em 100.000 horas é de 60-90 MPa a 550 graus. E a 600 graus cai para 30-50 MPa. A 650 graus, a resistência à ruptura em 100.000 horas é de apenas 15-25 MPa. Isso está abaixo da tensão circular da pressão interna na maioria dos projetos de aquecedores e significa que o 316 não pode atingir 100.000 horas de vida a 650 graus, não importa a espessura da parede, porque a ruptura por fluência será inevitável. O resultado prático é que 316 aquecedores revestidos construídos para serviço contínuo de 100.000 horas (11,4 anos) devem ser construídos de modo que a temperatura máxima de operação da bainha não seja superior a 530-550 graus, dependendo da pressão interna.

Tensão admissível do aro, quantificada para 100.000 horas de vida.

A Tabela 4.3 mostra a tensão circular máxima permitida para tubos de aquecimento de aço inoxidável 316 com uma vida útil de ruptura por fluência de 100.000 horas em temperaturas entre 450 graus e 650 graus. Três valores de tensão são fornecidos, ou seja, a tensão média até a ruptura (50% de sobrevivência), a tensão limite inferior (95% de sobrevivência, base de projeto API/ASME) e a tensão permitida de projeto sugerida (limite inferior dividido por um fator de segurança de 1,25-1,5 dependendo do código. Para projetar o aquecedor usando a tensão aceitável especificada, a pressão interna máxima deve ser calculada a partir da fórmula de tensão circular de parede fina: P max=2 t σ permitir / D média, onde t é a espessura da parede, D média é o diâmetro médio.

Temperatura (graus) Tensão média de ruptura (MPa) Limite inferior de 100.000 horas (95% de sobrevivência) Tensão de ruptura (MPa) Design recomendado Tensão admissível (MPa) (SF=1.4 no limite inferior) Tensão máxima do aro para 100.000 horas de vida (MPa) Limite de aplicação típico 450 210-250 180-210 130-150 130 Serviço ilimitado 475 170-200 145-175 100-125 110 Seguro para a maioria dos aquecedores
500 120-150 100-130 70-95 85 Base de projeto padrão 525 85-110 70-95 50-70 60 Projeto reduzido necessário 550 60-80 45-65 30-45 40 Vida curta-ou baixo-somente estresse 575 40-55 30-45 20-30 25 Marginal para serviço contínuo 600 25-40 18-30 12-20 15 Não recomendado para 100.000 horas 625 15-25 10-18 7-12 10 Inaceitável para vida longa
650 10-15 5-10 3-7 5 316 não é adequado; atualizar liga
Convertendo a pressão interna e a espessura da parede em tensão admissível

A tensão circular permitida de projeto recomendada para uma bainha de aquecedor 316 convencional de 10 mm de diâmetro externo e 1,5 mm de espessura de parede (diâmetro médio de 8,5 mm) é de 85 MPa a 500 graus, o que fornece uma pressão interna máxima de P_max=(2 1.5 85) ​​/ 8.5=30 MPa (300 bar). Isto está bem acima de qualquer pressão viável no serviço de aquecedor de imersão, demonstrando que a ruptura por fluência a 500 graus não é o fator limitante para tal aquecedor – outros problemas como oxidação ou fadiga térmica dominarão. Em bainhas de grande diâmetro ou alta temperatura, a fluência torna-se limitante. Para uma bainha com diâmetro externo de 20 mm e parede de 2,0 mm (diâmetro médio de 18 mm) a 550 graus (tensão admissível de 40 MPa), a pressão interna máxima é meramente Pmax=(2 2.0 40) / 18=8.9 MPa (89 bar). Isto pode ser muito pouco para um aquecedor a 550 graus em um sistema pressurizado (por exemplo, água superaquecida ou vapor a uma pressão de 80-100). O projetista deve aumentar a espessura da parede, diminuir a temperatura reduzindo a densidade de potência ou atualizar o material.

Fatores que afetam a resistência à ruptura por fluência

As resistências à ruptura por fluência na tabela são para tamanho de grão ASTM 6-8 (30-50 m) completamente recozido 316. Três coisas alteram esses valores. O primeiro é o tamanho do grão. O material de granulação grossa (ASTM 3-5, 50-80 µm) demonstra uma resistência à ruptura por fluência 10-20% mais forte na mesma temperatura do que o material de granulação fina porque os limites dos grãos são os locais dominantes de cavitação por fluência e tamanhos de grãos mais grossos significam menos limites por unidade de volume de material e, portanto, uma menor densidade de cavidades. Adotar um tamanho de grão mínimo ASTM 5 pode fornecer uma margem adicional. O segundo componente é o trabalho a frio prévio: 10-20% de trabalho a frio aumenta a resistência inicial, mas causa rápida liberação de tensão e recristalização em torno de 500-600 graus, levando a uma menor resistência à fluência a longo prazo do que o material totalmente recozido. Totalmente recozido é melhor para serviços com limitação de fluência. O terceiro ponto é a distribuição de carbonetos. O material com carbonetos intragranulares finos (devido ao recozimento correto da solução) proporciona reforço por precipitação, o que aumenta a resistência à fluência. Carbonetos grossos com contorno de grão (sensibilização) diminuem a resistência à fluência, pois os carbonetos atuam como locais de nucleação para cavidades. Carbonetos intragranulares finos dentro de uma microestrutura recozida em solução são necessários para aplicações com restrição de fluência

Determinação prática da temperatura da bainha para cálculos de vida útil

A temperatura da bainha interna (a temperatura do metal na parede interna que regula a fluência da seção transversal-que contém a pressão-) do aquecedor em serviço é maior que a temperatura da bainha externa medida no fluido do processo. A diferença de temperatura através da parede é ΔT=(q × t) / k onde q é o fluxo de calor (W/m2), t é a espessura da parede e k é a condutividade térmica de 316 (cerca de 20 W/m·K a 500 graus). Para um aquecedor de água típico com temperatura da camisa externa de 90 graus e espessura da parede de 1,5 mm, a temperatura da camisa interna é apenas 1-2 graus mais alta, o que é insignificante. Se a temperatura da bainha externa for de 600 graus, a temperatura da bainha interna poderá ser de 620-630 graus devido à diminuição da temperatura na parede, o que reduzirá bastante a vida útil da fluência. O fluxo de calor deve ser usado para determinar a temperatura calculada da parede interna quando são usados ​​dados de ruptura por fluência em vez da temperatura externa registrada. A fluência não é o modo de falha que limita a vida útil na maioria das aplicações de aquecimento por imersão em líquidos. Para aquecimento de ar e gás acima de 500 graus de temperatura externa, a fluência deve ser considerada especificamente.

Resumo: Aplicação de dados de ruptura por fluência ao projeto de aquecedores 316

Para aquecedores revestidos de aço inoxidável 316 com uma temperatura interna de 500 graus, a tensão circular máxima permitida para uma vida útil de ruptura por fluência de 100.000 horas (11,4 anos) é de 85 MPa (projeto recomendado permitido). Este valor de tensão permite que bainhas regulares de pequeno diâmetro (10 mm de diâmetro externo, 1,5 mm de parede) possam suportar pressões internas de até 300 bar – muito além das condições normais de serviço. A 550 graus a tensão permitida é reduzida para 40 MPa e a 600 graus para 15 MPa, limitando a vida útil da ruptura por fluência para muitos projetos de aquecedores. Os engenheiros que necessitam de bainhas 316 para serviço em alta temperatura devem calcular a temperatura da parede interna a partir do fluxo de calor e da espessura da parede e, em seguida, selecionar a espessura da parede e a pressão operacional de modo que a tensão circular resultante não exceda os valores permitidos na tabela para a vida útil desejada. A arquitetura descrita aqui vincula a tensão de ruptura por fluência com parâmetros de temperatura, tempo e segurança para que os clientes possam construir 316 aquecedores encapsulados que operarão continuamente por 100.000 horas sem falha por fluência.