Как радиусът на ъгловата заварка при монтажния фланец на титаниев нагревателен елемент влияе върху живота на обвивката при умора, когато е подложена на-предизвикана вибрация в голям химически скрубер?

Основният компромис-в дизайна на ъглови заварки за високо-вибрационни скрубери
Титаниеви нагревателни елементи се поставят през стената на съда на големи химически скрубери чрез фланцова връзка. Зоната с най-голямо напрежение при вибрации, предизвикани от потока, е ъгловата заварка между титановата обвивка и монтажния фланец. Газовият поток на скрубера (5–15 m/s) причинява завихряне и турбуленция, което разклаща конзолния нагревателен сноп. Променливото напрежение на огъване е концентрирано в края на заварката. Коефициентът на концентрация на напрежение (SCF) се контролира от радиуса на ъгловия шев-вдлъбнатия преход между заваръчната повърхност и повърхността на тръбата. Остър заваръчен пръст (къс радиус,<0.5 mm) produces a SCF of 3–5, i.e. the local stress is 3–5 times the nominal bending stress. Large fillet radii (>2 mm) водят до SCF от 1,5-2,0. Дебелината на стената оказва влияние върху твърдостта на огъване и номиналното напрежение, но най-важната променлива за живота на умора е радиусът на заварката. Това проучване оценява ефекта на радиуса на ъглената заварка върху живота на умора при типични вибрационни обстоятелства на скрубера и дава предложения за дизайн.

Въздействие върху концентрацията на напрежения в механичната цялост при пръста на заварката
За конзолен нагревател с дължина L, с напречна сила F (от вибрации, предизвикани от потока-), номиналното напрежение на огъване във фиксирания край (точка на заваряване) се дава от: σ_nom=(F × L) / (π × D² × t / 4) Локалното напрежение при върха на заварката се дава от σ_local=K_t × σ_nom където K_t е коефициентът на концентрация на напрежението. За ъглова заварка с радиус на върха r и дебелина на стената на тръбата t, K t ~ 1 + 2 * (t/r)^0,5. За остър заваръчен шев (r=0.3 mm, t=1.5 mm), Kt=1 + 2 x (1,5/0,3)^0.5=1 + 2 x 2.24=5.5. За голям ъглов шев (r=2.5 mm, t=1.5 mm) Kt=1 + 2 x (1,5/2,5)0.5=1 + 2 x 0.77=2.5. Големият ъглов шев намалява локален стрес с над 50 %.

Животът на умора (цикли до повреда) се дава от уравнението на Basquin: N f=( σ f ' σ локално) 1 b където b ≈ -0,12 за титан. Намаляването на σ local с коефициент 2,2 (от 5,5 на 2,5 K t ) увеличава живота на умора с коефициент от около (2,2) (1/0,12)=(2,2) 8,3 ≈ 800 пъти. Нагревател, който би умрял за 1 месец с остър заваръчен крак, може да живее 800 месеца (66 години) с голям ръб.

Ефект на размера на заваръчния шев и преноса на топлина върху топлинните характеристики
По-големият радиус на филета допринася за повече заваръчен метал (увеличена дебелина на гърлото), за да предложи по-голям канал за топлопроводимост от обвивката до фланеца. Това помага на топлината да се разсейва малко по-добре от зоната на заваряване и предотвратява изолираните горещи точки. Термичното наказание е малко. Въпреки това, много голямо уплътнение (r > 5 mm) може да причини смущения на близките нагреватели в сноп или да намали ефективната нагрята дължина.

Компромис-синтез: радиус на заваръчния шев и взаимодействие на дебелината на стената
Радиус на върха на ъглова заварка (mm) Фактор на концентрация на напрежението (K_t, за t=1.5 mm) Прогнозиран живот на умора (спрямо остра базова линия на заваръчния шев) Обосновка за минимална дебелина на стената на сърцевината < 0,5 mm (остра като -заварена) 5,0 – 6.0 1× (базова линия,<6 month life)Any (no advantage) Not appropriate for vibration service
0,5 – 1,0 mm (гладко шлайфане) 3,5 – 4.5 10 – 50 × 1,5 mm Приемливо за умерена вибрация
1,0 – 2,0 mm (контурен) 2,5 – 3.5 200 – 1000 × 1,2 – 1,5 mm Добър за повечето скрубери
2,0 – 3,0 mm (щедро филе) 2,0 – 2.5 2,000 – 10 000 × 1,0 – 1,2 mm Отличен, позволява по-тънки стени3,0 mm (изключително голямо филе)<2.0 >50 000 × 1,0 mm Оптимално, но непрактично
Голям ъглов заваръчен шев (r По-голям или равен на 2 mm) осигурява драматично подобрение на издръжливостта на умора и позволява използването на по-тънки стени (1,0–1,2 mm). Радиусът на филета е по-важен от дебелината на стената за устойчивост на умора.

Заваряване отвъд заварката: шлайфане и обработка след-заваряване
Ако желаният голям радиус на заварката не може да бъде постигнат при заваряване (било поради позиция или достъп), еквивалентното предимство на умората може да се получи чрез шлайфане на върха на заваръчния шев до гладък контур с радиус най-малко 1,5 mm. Шлифоването трябва да се извърши с фин абразив (120 песъчинки или по-фин), след което да се полира, за да се премахнат следите от шлайфане. TIG обработката след-заваряване (повторно-топене на върха на заварката без допълнителен метал) също минимизира концентрацията на напрежение, като осигурява плавен преход. Този подход може да увеличи живота на умора с коефициент 5–10 с оригиналната геометрия на заваръчния шев. Дробното уплътняване или иглено уплътняване на върха на заварката създава остатъчно напрежение при натиск, което подобрява още повече живота на умора.

Заключение: Големият радиус на филета (по-голям или равен на 2 mm) позволява дизайн на тънки-стени за вибрационно обслужване
Животът на умора на титаниев нагревателен елемент в голям химически скрубер, изложен на вибрации, -предизвикани от потока, силно зависи от радиуса на ъгловата заварка на монтажния фланец. Ако краят на заваръчния шев е остър (r < 0,5 mm), тогава коефициентът на концентрация на напрежението е 5-6 и повредата от умора настъпва в рамките на няколко месеца, независимо от дебелината на стената. Широкият радиус на филето (r По-голям или равен на 2 mm) води до коефициент на концентрация на напрежение от 2,0–2,5, като по този начин увеличава живота на умора с 2 000–10 000 пъти и позволява по-тънки стени (1,0–1,2 mm). Одобрената спецификация е ъглова заварка с минимален радиус на върха от 2 mm (шлайфана или обработена) в комбинация с дебелина на стената на титаниевата обвивка от 1,2 mm. Дайте очакваната амплитуда и честота на вибрациите на производителя, за да провери необходимата геометрия на заваръчния шев. Дебелината на стената е второстепенна променлива. Проектният параметър за издръжливост на умора при работа на скрубер с висока вибрация е радиусът на заваръчния ъгъл.