Как методът за монтиране на нагревател с титаниева обвивка (с фланец срещу нипел с резба) променя разпределението на напрежението при съединението на студения щифт, когато е подложен на термичен цикъл от 20 градуса на 180 градуса?

Основният компромис при монтирането на нагревател за високо-топлинно-циклично обслужване
Нагревателите с титаниева обвивка често се монтират през стените на резервоара, като се използва или фланцова връзка (завинтена към съответния фланец), или резбован нипел (завинтен в заварен съединител). Студеното щифтово съединение, където проводникът с вътрешно съпротивление се свързва с външния електрически проводник, изпитва най-голям термичен стрес по време на цикъл от температура на околната среда (20 градуса) до температура на процеса (180 градуса). Начинът, по който е монтирана обвивката, влияе върху начина, по който тя се разширява и свива по отношение на неподвижната стена на резервоара и по този начин има пряк ефект върху начина, по който напрежението се разпределя в тази жизненоважна точка. Монтажът с фланец осигурява известно радиално и аксиално съответствие, но нипелът с резба ограничава обвивката здраво. Дебелината на стената зависи от метода на монтаж: По-дебелата стена подобрява аксиалната твърдост и предава по-голямо топлинно напрежение към връзката на студения щифт. Този анализ сравнява разпределението на напрежението за фланцов и резбов монтаж и предоставя предложения за избор за приложения с цикъл на висока температура.

Ефект върху механичната цялост: напрежение при студено свързване на щифта
За титанов нагревател с дължина 500 mm, аксиалното разширение е ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm при нагряване от 20 градуса до 180 градуса. Калъфът е здраво държан в резбован нипелен монтаж при резбите. Това ограничено разширение генерира аксиално напрежение на натиск от σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Това напрежение се прехвърля незабавно към кръстовището на студения щифт, където обвивката се променя от нагрята на ненагрята. За стена от 1,0 mm това напрежение е под границата на провлачване от 275 MPa и така показва еластично поведение. Но честото каране води до умора в ставата. За стена от 1,8 mm аксиалното напрежение е 144 MPa (независимо от дебелината на стената за твърдо ограничение), но твърдостта на огъване в кръстовището е по-висока, следователно по-малка способност за компенсиране на леки отклонения. Анализ на крайните елементи показва, че коефициентът на концентрация на напрежението при съединението на студения щифт се увеличава от 2,5 за стената от 1,0 mm до 3,2 за стената от 1,8 mm, със съответните локализирани пикови напрежения от 360 MPa и 460 MPa. Стената от 1,8 mm надвишава местната граница на провлачване, което води до пластична деформация при всеки цикъл и бърза повреда от умора.

Нагревателят е закрепен във фланцов монтаж с уплътнение, въпреки че не е фиксиран твърдо. Фланецът позволява на обвивката да се плъзне малко през уплътнението, докато се разширява. Силата на триене при уплътнението (не модулът на пълното сечение) се противопоставя на разширението и намалява аксиалното напрежение с фактор от 5–10 до 15–30 MPa. Напрежението при съединението на студения щифт е по-малко от 50 MPa, което е в границата на еластичност както за 1,0 mm, така и за 1,8 mm стени. Фланцовият монтаж по същество отделя термичното разширение от студеното щифтово съединение.

Въздействие върху топлинните характеристики: загуба на топлина и повреда на уплътнението
Методът на монтаж също влияе върху предаването на топлина при студения щифт. В нипел с резба, контактът -с-метал осигурява добра топлопроводимост от обвивката към стената на резервоара, охлаждайки студеното съединение на щифта и поддържайки електрическото уплътнение. Но това охлаждане означава и загуба на топлина, което намалява ефективността на системата с 2–5%. При фланцов монтаж уплътнението (PTFE или компресирани влакна като цяло) е изолатор, намаляващ загубата на топлина до по-малко от 1%, но позволявайки на студеното щифтово съединение да работи по-горещо. За работа при 180 градуса, студеният щифт на фланцов монтаж може да бъде 120-140 градуса, изискващи високотемпературни проводници и изолация от силикон или фибростъкло. Дебелината на стената не влияе много на тези топлинни разлики.

Как да изберете метод на монтаж: Синтез на компромиса-
Тип монтаж Дебелина на стената Пиково напрежение при студен щифт (цикъл от 20 градуса до 180 градуса) Препоръчително приложение Топлинни загуби Живот при умора (цикли до повреда)
Нипел с резба 1,0 mm 360 MPa (локализиран) 5 000 – 10 000 цикъла 3 – 5% приложения с нисък-цикл (< 5,000 cycles) with thin wall.
Нипел с резба 1,8 mm 460 MPa (локализиран) 1000 – 2000 цикъла 3 – 5% Не се препоръчва - пластична деформация на цикъл
PTFE фланцово уплътнение Всякакви (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 цикъла < 1% Предпочитан за високо-циклични или високотемпературни приложения.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 градуса), където PTFE се разпада.
Инженерни разширителни контури и гъвкави връзки извън монтажа
Ако приложението изисква монтаж с резба (т.е. модернизация в съществуващи съединители), нагревателната тръба съдържа разширителен контур (огъване от 180 градуса) между нагрятата секция и съединението на студения щифт за механично поемане на термичното разширение и намаляване на напрежението при студения щифт независимо от дебелината на стената. Крива от 90 градуса с радиус 50 mm намалява предаваното аксиално натоварване със 70%. Като алтернатива се използва гъвкав метален маркуч между нагревателя и електрическата кутия за изолиране на студения щифт от силите на топлинно разширение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Монтирането на фланец е предпочитано за обслужване с висок термичен цикъл
We demonstrate that a flanged mount with a compliant gasket reduces the tension at the cold pin junction of a titanium encased heater with thermal cycling from 20$^\circ$C to 180$^\circ$C as compared to a threaded nipple. The rigid restriction in the threaded mount induces an axial compressive stress of 144 MPa, which combined with stress concentration factors of 2.5-3.2 leads to localized yielding at the cold pin for thick walls (>=1.5 mm). Стените с резба 1,8 mm имат живот на умора от само 1000–2000 цикъла. Обвивката с фланцов монтаж се плъзга през уплътнението и пиковото напрежение остава под 50 MPa, независимо от дебелината на стената, което води до > 100 000 цикъла. Когато инсталацията с резба е неизбежна, използвайте тънка стена (По-малка или равна на 1,0 mm) и разширителен контур. За нови инсталации, където се изисква висока издръжливост при топлинни цикли, предпочитаната спецификация е фланцов монтаж с PTFE уплътнение. Дебелината на стената се задава въз основа на изискванията за корозия и налягане, а не на напрежението, причинено от монтажа.