При каква конкретна комбинация от температура и приложено напрежение на опън се извършва преходът на обвивката на нагревател 316L от разкъсване при пълзене към умора-Доминираща повреда при 1 Hz циклично натоварване (10 000 000 цикъла)

Граница на висока-циклична умора на вибрации за нагреватели

316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating in high vibration environments (e.g., downstream of pumps, in flowing fluids with vortex shedding, on mobile equipment, or in systems with pressure pulsations) under cyclic mechanical loading undergo a transition from pure creep rupture (time-dependent, temperature-controlled) to fatigue-dominated failure (cycle-dependent, stress-controlled) at a critical combination of temperature and applied alternating stress. At 1Hz loading (typical for flow induced vibration or pump pulsation) the transition depends on temperature. At room temperature, 316L has an endurance limit of around 200-250 MPa (stress range) at 10⁷ cycles. The endurance limit at 400°C is reduced to 150-200 MPa. At 550°C it further decreases to 100-150 MPa. The endurance limit at 600°C is 60 to 100 MPa. At temperatures above 650°C, the material cannot withstand 10 7 cycles at any tension >20-30 MPa, since creep prevails and produces rupture before 10 7 cycles, irrespective of the stress level. This paper quantifies the creep to fatigue failure mode transition for 316L heater sheaths under high cycle (>10{sup 6} цикъла) натоварвания.

Механизъм на взаимодействие пълзене-умора

При по-високи температури умората и пълзенето взаимодействат. При чистата умора щетите се натрупват за цикъл като пластична деформация. При чисто пълзене щетите се натрупват като функция на времето под напрежение. При високи температури и ниски честоти (1 Hz е ниска честота за изпитване на умора), всеки цикъл има задържане при пиково напрежение (обикновено 0,5 секунди за триъгълна вълна при 1 Hz). По време на това време на задържане може да се развие кавитация при пълзене. Общата повреда може да се запише като линейно правило за сумиране на повредата: (N/Nf) + (t/tr)=Dcrit, където N е броят на циклите, Nf е броят на циклите до повреда при чиста умора (без пълзене), t е времето под напрежение и tr е времето за разрушаване при чисто пълзене. Смяната се извършва, когато двата приноса към щетите са равни. За средни натоварвания на нагревателя (30-100 MPa) температурата на преход е около 550-600 градуса за 1 Hz натоварване.

Количествено определен цикличен (1 Hz) спрямо статичен живот при пълзене при различни температури

Статичното разрушаване при пълзене и контролираното изпитване на умора при издърпване при натискане-издърпване (R=0, триъгълна форма на вълната, 1 Hz) на проби от 316L тръба при същото пиково напрежение дава следните цикли до повреда и преходно поведение.

Temperature (oC) Peak Stress (MPa) Cycles to Failure at 1 Hz (N_f) Time to Failure (hours) at 1 Hz Static Creep Rupture Life (hours, same stress) Dominant Failure Mode Recommended for 10^7 Cycle Life 25 250 2x10^6-5x10^6 550-1400 >100 000 Умора No (граница на издръжливост ~200 MPa)
25 200 >10⁷ >2,800 >100,000 Fatigue Yes (below endurance limit) 300 200 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 50,000-80,000 Fatigue No 300 150 >10⁷ >2,800 >80,000 Fatigue Yes 400 180 5×10⁵-1.5×10⁶ 140-420 20,000-40,000 Fatigue No 400 120 5×10⁶-8×10⁶ 1,400-2,200 30,000-50,000 Mixed Marginal 400 100 >10⁷ >2,800 40,000 Fatigue Yes 500 120 8×10⁵-2×10⁶ 220-550 10,000-15,000 Mixed No 500 80 3×10⁶-6×10⁶ 830-1,670 15,000-25,000 Mixed Marginal 500 60 >10⁷ >2,800 25,000 Fatigue Yes 550 100 3×10⁵-8×10⁵ 83-220 5,000-8,000 Creep-fatigue No 550 60 1×10⁶-3×10⁶ 280-830 8,000-12,000 Mixed Marginal 550 40 >10⁷ >2,800 15,000 Creep? Yes (check) 600 80 5104-2105 14-55 2,000-4,000 Creep-dominated No 600 40 2105-5105 55-140 4,000-6,000 Creep-fatigue No 600 20 >107 >2,800 8,000-10 000 Пълзене (но оцелява 107 цикъла?) Маргинално
Честотна зависимост на температурата на преход

Увреждането при пълзене се благоприятства от по-ниски честоти (по-дълга продължителност на задържане при пиково напрежение) Умората се благоприятства от по-високи честоти. За нагревателите индуцираната от помпа-вибрация често е 1 Hz.

Честота (Hz) Температура, при която повредата от пълзене и умора са равни (за 60 MPa пиково натоварване) Температура 10^7 цикъл на умора (MPa, 50% статичен добив)
0.1 500 градуса 525 градуса 0.5 530 градуса 550 градуса 1 550 градуса 575 градуса 2 570 градуса 600 градуса 5 600 градуса 620 градуса Практически препоръки за инсталиране на нагреватели при-склонност към вибрации

316L нагреватели в корпус, ситуации с висока-вибрация. Изисквания за дизайн и материали за 10⁷ цикъл на живот при 1 Hz.

Максимално допустима амплитуда на променливо напрежение за 107 цикъла (MPa) Максимална работна температура (градуси) Препоръчително позициониране на нагревателя Допълнително потискане на вибрациите<200 200Standard rigid base200-300 180Rubber isolated, rigidElective 300-400 140Flexible mount (springs) Suggested
400-500 100 Изисква се изолация на вибрации + гъвкав монтаж 500-550 60Необходим е плаващ монтаж (без твърди връзки) + облекчаване на напрежението
550-600 30-40 Heat transfer with flexibility for remote mountingRequired (or upgrade to 347) >600 Неприложимо (контролирано пълзене) Надграждане до 347 или 310 N/A
Заключение: Умора срещу пълзене за 10 7 жизнен цикъл

За нагревателни обвивки от неръждаема стомана 316L преминаването от доминирана умора към повреда, доминирана от пълзене, възниква при около 550-600 градуса за натоварвания от 40-100 MPa при 1 Hz циклично натоварване (типично за вибрации на помпата или пулсации, задвижвани от потока). При 550 градуса разрешената алтернативна амплитуда на напрежение за 10⁷ цикъла (около 4 месеца непрекъсната вибрация при 1 Hz) е 40-60 MPa; при 600 градуса се намалява до 20-40 MPa. Инженерите, които определят нагреватели за използване при високи вибрации над 500 градуса, трябва да намалят допустимите напрежения или да надстроят до сплави с по-висока температура (347, 310). При температури под 500 градуса, 316L може да издържи 10⁷ цикъла при напрежения от 100-180 MPa, ако променливото напрежение (амплитуда на вибрациите) е регулирано. Тази рамка, показана тук, свързва температурата, приложеното циклично напрежение и честотата с 10 7 границите на издръжливост на умора при цикъл. По този начин купувачите могат да изберат дизайн на нагревател и техники за монтаж, които избягват преждевременна повреда поради умора при високи цикли в ситуации, предразположени към вибрации.