Đối với các kỹ sư về độ tin cậy và chuyên gia bảo trì chịu trách nhiệm về máy sưởi ngâm điện trong các quy trình công nghiệp liên tục-chẳng hạn như máy ép phun, hệ thống dầu truyền nhiệt và các gói máy nén pittông-sự tương tác giữa chu trình nhiệt và rung động cơ học tạo ra môi trường mỏi phức tạp hiếm khi được ghi lại bằng thử nghiệm-chế độ đơn. Trực giác gợi ý rằng vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 dày hơn 2,0 mm sẽ luôn tồn tại lâu hơn vỏ bọc mỏng hơn 1,2 mm dưới mọi hình thức tải theo chu kỳ. Tuy nhiên, trong các ứng dụng có chu kỳ nhiệt tần số cao{8}} trùng với rung động cơ học vừa phải, điều ngược lại có thể đúng. Thành dày hơn tạo ra ứng suất nhiệt nhất thời lớn hơn khi nhiệt độ thay đổi nhanh, trong khi độ cứng cao hơn của nó truyền lực rung trực tiếp hơn đến bề mặt tiếp xúc MgO và dây điện trở. Bài viết này xác định sự kết hợp cụ thể giữa tần số chu kỳ nhiệt, sự dao động nhiệt độ và biên độ rung mà tại đó vỏ bọc 2,0 mm không thành công trước vỏ bọc 1,2 mm, cung cấp các ngưỡng định lượng cho việc ra quyết định thiết kế.
Sự tương tác cơ học giữa ứng suất nhiệt và độ rung mỏi
Độ mỏi chu trình nhiệt thuần túy trong vỏ bọc 316, như được thảo luận trong Điều 28, được điều khiển bởi độ dốc nhiệt độ trên độ dày thành. Đối với tường 2,0 mm, độ dốc nhất thời trong chu kỳ 20 độ đến 250 độ ở tốc độ 10 độ mỗi giây là khoảng 220 độ, tạo ra ứng suất nhiệt khoảng 350 MPa-cao hơn nhiều so với cường độ chảy 316 ở nhiệt độ cao. Vật liệu sẽ bị biến dạng dẻo sau mỗi chu kỳ, gây ra hư hỏng tích lũy. Đối với bức tường 1,2 mm, cùng một độ chuyển tiếp tạo ra độ dốc 130 độ và ứng suất xấp xỉ 200 MPa, thường ở dưới ngưỡng chảy. Do đó, bức tường mỏng hơn chịu ít hoặc không có biến dạng dẻo trong mỗi chu kỳ nhiệt, trong khi bức tường dày hơn sẽ bị hư hại đáng kể. Khi rung động cơ học được áp dụng, các cơ chế hư hỏng sẽ tương tác với nhau. Riêng rung động tạo ra ứng suất uốn xen kẽ thấp hơn ở bức tường dày hơn do mô đun tiết diện cao hơn của nó. Tuy nhiên, ứng suất rung làm tăng thêm ứng suất nhiệt trong giai đoạn gia nhiệt. Đối với lớp vỏ 2,0 mm vốn đã gần hoặc cao hơn khả năng chịu ứng suất nhiệt, việc bổ sung thêm một ứng suất rung nhỏ sẽ đẩy vật liệu sâu hơn vào chế độ dẻo, đẩy nhanh quá trình hình thành vết nứt. Đối với lớp vỏ 1,2 mm, vốn vẫn đàn hồi khi chỉ chịu ứng suất nhiệt, việc bổ sung ứng suất rung vẫn có thể giữ cho vật liệu ở mức dưới giới hạn chảy, dẫn đến không làm tăng tốc độ hư hỏng.
Ngưỡng định lượng cho sự đảo ngược cuộc sống mệt mỏi
Thử nghiệm có kiểm soát trong phòng thí nghiệm sử dụng vỏ bọc 316 được gia nhiệt gắn trên bàn rung với chu trình nhiệt đồng thời đã thiết lập các điều kiện cụ thể tại đó tuổi thọ của vỏ bọc 2,0 mm giảm xuống dưới tuổi thọ của vỏ bọc 1,2 mm. Ở tần số chu kỳ nhiệt là 2 chu kỳ mỗi giờ (48 chu kỳ mỗi ngày) với dao động nhiệt độ từ 20 độ đến 250 độ và biên độ rung 1g ở 30 Hz, lớp vỏ 2,0 mm không hoạt động ở khoảng 8.000 chu kỳ, trong khi lớp vỏ 1,2 mm vượt quá 25.000 chu kỳ mà không bị hỏng-tỷ lệ đảo ngược tuổi thọ hơn 3:1 nghiêng về thành mỏng hơn. Ở biên độ rung 0,5g, vỏ bọc 2,0 mm tồn tại được 15.000 chu kỳ, vẫn thấp hơn 25.000 chu kỳ của vỏ bọc 1,2 mm. Ở mức rung 0,2 g-điển hình của các cài đặt-cách ly tốt-vỏ bọc 2,0 mm đạt được 22.000 chu kỳ, đạt gần nhưng không vượt quá hiệu suất của tường mỏng. Ở tần số chu kỳ nhiệt dưới 0,5 chu kỳ mỗi giờ (12 chu kỳ mỗi ngày), vỏ bọc 2,0 mm có đủ thời gian giữa các chu kỳ để giảm ứng suất và tuổi thọ mỏi của nó vượt quá tuổi thọ mỏi của vỏ bọc 1,2 mm. Do đó, chế độ tới hạn khi các bức tường dày hoạt động kém được xác định bởi tần số chu kỳ nhiệt trên 1 chu kỳ mỗi giờ kết hợp với biên độ rung trên 0,3g. Trong chế độ này, ứng suất nhiệt cao hơn của bức tường dày hơn sẽ chi phối cơ chế hư hỏng và ứng suất rung đóng vai trò là chất tăng tốc chứ không phải là nguyên nhân chính.
Ma trận lựa chọn tải kết hợp cho 316 vỏ bọc
Bảng sau đây cung cấp độ dày thành vỏ bọc được khuyến nghị là 316 cho các ứng dụng liên quan đến chu kỳ nhiệt đồng thời và rung cơ học. Các giá trị dựa trên dữ liệu thử nghiệm kết hợp với mức dao động nhiệt độ từ 20 độ đến 250 độ và tần số rung 30 Hz.
| Tần số chu kỳ nhiệt (Chu kỳ mỗi giờ) | Biên độ rung (g) | Nhiệt độ dao động (độ) | Độ dày thành vỏ bọc khuyến nghị 316 | Chu kỳ thất bại dự kiến ở độ dày khuyến nghị | Cơ chế thất bại chiếm ưu thế |
|---|---|---|---|---|---|
| Dưới 0,5 | Bất kì | Bất kì | 2,0 – 2,5 mm | 20,000 – 30,000 | Rung mỏi; thích tường dày |
| 0.5 – 1.0 | Dưới 0,2g | Lên đến 200 độ | 1,6 – 2,0 mm | 18,000 – 25,000 | Hỗn hợp; hoặc độ dày chấp nhận được |
| 0.5 – 1.0 | 0.2 – 0.5g | Lên đến 200 độ | 1,2 – 1,6 mm | 15,000 – 22,000 | Ứng suất nhiệt xuất hiện; thích tường mỏng |
| 1.0 – 2.0 | Dưới 0,2g | 150 – 250 độ | 1,2 – 1,6 mm | 18,000 – 25,000 | Ứng suất nhiệt chiếm ưu thế; tránh những bức tường dày |
| 1.0 – 2.0 | 0.2 – 0.5g | 150 – 250 độ | 1,0 – 1,2 mm | 15,000 – 20,000 | Tải kết hợp; bức tường mỏng cần thiết |
| 1.0 – 2.0 | Trên 0,5g | Bất kì | Không được đề xuất với 316 | Dưới 10.000 | Nâng cấp lên Incoloy 800H hoặc cách ly rung |
| Trên 2.0 | Bất kì | Trên 150 độ | Không được đề xuất | Dưới 8.000 | Chu trình nhiệt quá khắc nghiệt đối với 316 |
Đối với các ứng dụng rơi vào vùng-rủi ro cao của ma trận-tần số chu kỳ nhiệt trên 1 mỗi giờ và độ rung trên 0,3g-, các kỹ sư có ba tùy chọn. Đầu tiên là cách ly lò sưởi khỏi rung động bằng cách sử dụng các giá đỡ linh hoạt hoặc lắp từ xa của vỏ thiết bị đầu cuối. Giảm độ rung từ 0,5g xuống 0,1g có thể tăng tuổi thọ mỏi từ 3 đến 5. Tùy chọn thứ hai là giảm tần số chu kỳ nhiệt bằng cách thực hiện nhiệt độ chờ tối thiểu, giữ bộ sưởi ở khoảng 150 độ đến 250 độ thay vì đạp xe từ môi trường xung quanh. Tùy chọn thứ ba là nâng cấp lên Incoloy 800H, có độ giãn nở nhiệt thấp hơn và độ bền nhiệt độ{15}cao cao hơn, giúp nó có khả năng chống mỏi do nhiệt và rung tốt hơn. Khi chỉ định bộ gia nhiệt cho các gói máy nén pittông hoặc máy ép phun-cả hai đều có đặc điểm là chu kỳ nhiệt thường xuyên và độ rung đáng kể-các kỹ sư nên yêu cầu dữ liệu độ mỏi tải kết hợp từ nhà sản xuất. Nhà cung cấp chỉ cung cấp dữ liệu thử nghiệm một chế độ (chỉ chu trình nhiệt hoặc chỉ rung) không thể dự đoán chính xác tuổi thọ sử dụng trong môi trường vận hành thực tế. Chi phí cho sự thất bại sớm trong các ứng dụng này là rất lớn, thường đòi hỏi phải dừng các quy trình liên tục ngoài kế hoạch. Chọn độ dày thành chính xác dựa trên phân tích tải trọng kết hợp là một quyết định kỹ thuật quan trọng không thể thay thế bằng quy tắc đơn giản rằng dày hơn luôn tốt hơn. Đối với sự kết hợp đầy thách thức giữa chu kỳ nhiệt tần số cao và độ rung vừa phải, lớp vỏ 1,2 mm 316 thường bền hơn lớp vỏ 2,0 mm theo hệ số hai hoặc nhiều hơn, khiến cho thành mỏng hơn trở thành thông số kỹ thuật chính xác về độ bền chứ không chỉ hiệu suất nhiệt.
