Mantliga reaktorites ja autoklaavides elektriliste sukelsoojendite eest vastutavate protsessiinseneride jaoks loovad perioodilise keemilise töötlemise termilise tsükli nõuded ainulaadsed väsimustingimused, mida pidevas töös harva nähakse. Reaktor võib tsüklit 20 kraadilt 200 kraadini ja tagasi mitu korda päevas, kusjuures kuumutamiskiirust reguleerivad keemilise reaktsiooni nõuded. 316 roostevabast terasest ümbrise seina paksus muudab nende tsüklite pingereaktsiooni{5}}põhimõtteliselt. Vastupidiselt võib öelda, et paks 2,5 mm sein võib plastikust põrkega -progressiivselt ühes suunas iga tsükliga kuhjuva pinge tõttu ebaõnnestuda,-samas kui õhuke 1,2 mm sein jääb elastseks ja püsib lõputult. Selles artiklis määratakse kindlaks soojustsükli sageduse ja temperatuuri delta spetsiifiline kombinatsioon, mille korral 2,5 mm 316 kest puruneb enne 1,2 mm kest mantliga reaktori kütteteenuses.
Plastikust põrkimismehhanism paksude{0}}seinaga kestades
Plastikust põrkimine tekib siis, kui komponent kogeb tsüklilist termilist pinget, mis ületab materjali voolavuspiiri ühes suunas, kuid mitte vastupidi. Paksu -seinaga 316 ümbrise puhul, mis kuumeneb kiiresti, laieneb välispind rohkem kui sisepind, tekitades survepinge väljastpoolt ja tõmbepinget seestpoolt. Kui see pinge ületab saagise, deformeerub materjal plastiliselt. Jahutamise ajal tõmbub välispind kiiremini kokku, muutes pinge suuna. Kui jahutuspinge ei ületa tootlikkust, ei taastu materjal täielikult algsesse olekusse. Iga küttetsükliga koguneb sisepinnale väike tõmbepinge juurdekasv. Pärast tuhandeid tsükleid võib see põrkuv pinge ulatuda 5–10% -ni, põhjustades hõrenemist ja lõpuks lõhenemist. 1,2 mm õhukese seina puhul on temperatuurigradient üle seina palju väiksem, nii et termiline pinge jääb allapoole saagist nii kütmisel kui ka jahutamisel, mistõttu ei teki põrkeid. Kriitiline parameeter on Bioti arv{13}}sisemise juhtivuse takistuse ja välise konvektiivtakistuse suhe. Paksude seinte puhul madala konvektsiooniga keskkonnas, nagu viskoossed reaktorivedelikud, ületab Bioti arv põrkumise läve.
Kvantitatiivsed künnised põrkimistõrgete korral
Lõplike elementide analüüs 316 ümbrisega kattega reaktori töös loomuliku konvektsiooniga soojusülekandega (tegur 200 W/m²·K) määrab järgmised läved. 2,5 mm seina puhul algab põrkimine, kui temperatuuri delta tsükli kohta ületab 120 kraadi ja kuumutuskiirus ületab 5 kraadi minutis. Delta 150 kraadi ja kuumutuskiirusega 10 kraadi minutis on põrkimise pinge tsükli kohta ligikaudu 0,02%. Pärast 10 000 tsüklit jõuab kogu akumuleeritud pinge 2% -ni, põhjustades mõõdetavat seina õhenemist. Pärast 25 000 tsüklit jõuab deformatsioon 5% -ni ja nähtavad praod. 1,2 mm seina puhul on samades tingimustes maksimaalne termiline pinge ainult 120 MPa-, mis on tunduvalt madalam kui 200 MPa voolavuspiir 316 150 kraadi juures, -nii et põrkumist ei toimu. Temperatuuridel, mis on kõrgemad kui 180 kraadi, hakkab 1,2-millimeetrine sein põrkama, kuid 2,5-millimeetrine sein puruneb 130-kraadise delta juures. Seetõttu on põrkumise inversiooni kriitiline delta 120–140 kraadi. Sellest vahemikust allpool ei põrka kumbki sein. Sellest vahemikust kõrgemal põrkub 2,5 mm sein, samas kui 1,2 mm sein jääb elastseks kuni palju kõrgema deltani.
Kriitilised põrkimisläved 316 ümbrise seina paksusele
Järgmises tabelis on toodud kriitilise temperatuuri delta ja kuumutuskiiruse kombinatsioonid, mille juures algab plastikust põrkimine erinevate 316 ümbrise seinapaksuste korral mantliga reaktoris. Väärtused eeldavad loomulikku konvektsiooni viskoosses vedelikus (200 W/m²·K) ja maksimaalset töötemperatuuri 200 kraadi.
| Katte seina paksus | Minimaalne temperatuuri delta põrkumise alguseks | Minimaalne soojendusaste põrkega 150 kraadise delta juures | Põrkimispinge tsükli kohta 150 kraadi Delta, 10 kraadi /min | Tsüklib kuni 2% pinge kogunemiseni | Tsüklid ebaõnnestumiseni (5% pinge) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,8 – 1,0 mm | Üle 180 kraadi | Üle 20 kraadi /min | Mitte ükski alla 180 kraadi | Ei kohaldata | Ei kohaldata |
| 1,2 – 1,4 mm | Üle 170 kraadi | Üle 15 kraadi /min | Mitte ükski alla 170 kraadi | Ei kohaldata | Ei kohaldata |
| 1,6 – 1,8 mm | 150-160 kraadi | 12 – 15 kraadi /min | 0.005 – 0.010% | 20,000 – 40,000 | 40,000 – 80,000 |
| 2,0 – 2,2 mm | 130-140 kraadi | 8-10 kraadi /min | 0.015 – 0.025% | 8,000 – 13,000 | 20,000 – 30,000 |
| 2,5 – 2,8 mm | 120-130 kraadi | 5 – 8 kraadi /min | 0.020 – 0.035% | 5,000 – 10,000 | 12,000 – 25,000 |
Perioodilise reaktori puhul, mis töötab 20 kraadist 200 kraadini (delta 180 kraadi) kaks korda päevas, on aastane tsüklite arv ligikaudu 730 tsüklit. Sellel deltal koguneks 2,5 mm ümbris tsükli kohta 0,025–0,035% pinget, saavutades 2% pinge pärast 5000–8000 tsüklit ehk 7–11 aastat. 1,2 mm ümbrisel ei esineks põrkumist ja see saaks rikki ainult muude mehhanismide, näiteks korrosiooni või vibratsiooniväsimise tõttu. Suurema kuumutuskiirusega reaktorites,{18}}näiteks kuuma õli tsirkulatsiooni või auruga reaktorites{19}}algab põrkimine madalamatel deltadel. Reaktor, mis kuumeneb 50 kraadilt 200 kraadini kiirusega 20 kraadi minutis, tekitab 150 kraadise delta, kuid väga kõrge termilise gradiendi. Nendes tingimustes võib 2,5 mm kest rikki minna vaid 2000 tsükliga (3 aastat kahe tsükliga päevas), samas kui 1,2 mm kest jääb ohutuks.
Konstruktsiooni muudatused põrkumise vältimiseks
Kui tsüklilise reaktori töös on rõhu ohjeldamiseks või korrosioonikaitseks vaja paksu -seinaga 316 kesta, võivad kolm konstruktsiooni muudatust vältida plasti põrkumist. Esimene on küttekiiruse piiramine. Kaldtee kiiruse vähendamine 10 kraadilt minutis 3 kraadini minutis vähendab mööduvat termilist gradienti ligikaudu 60%, hoides pinged alla saagise isegi 2,5 mm seina puhul. Teine modifikatsioon on reaktori eelkuumutamine minimaalse ootetemperatuurini 80 kraadi, mitte jahutada ümbritseva õhuni. Delta vähendamine 180 kraadilt 100 kraadile välistab põrkumise täielikult sõltumata seina paksusest. Kolmas modifikatsioon on määrata materjal, millel on väiksem soojuspaisumine ja suurem voolavuspiir temperatuuril. Incoloy 800H soojuspaisumise koefitsient on 14 × 10⁻⁶/kraadi võrreldes 316 puhul 17 × 10⁻⁶/kraadiga ja see säilitab suurema tugevuse 200 kraadi juures. See kombinatsioon vähendab sama delta ja seina paksuse korral termilist pinget ligikaudu 25%. Enamiku perioodiliste reaktorite rakenduste puhul väldib 1,2–1,6 mm seinapaksuse valimine täielikult põrkeid, tagades samas piisava mehaanilise tugevuse. Insenerid, kes määravad tsüklilises hoolduses automaatselt "vastupidavuse" paksud seinad, võivad tahtmatult valida konstruktsiooni, mis põrkumise tõttu enneaegselt ebaõnnestub. Õige spetsifikatsiooni jaoks on vaja analüüsida eeldatavat tsükli deltat ja kuumutuskiirust ning seejärel valida kõige õhem sein, mis vastab rõhu- ja korrosiooninõuetele. Kahtluse korral küsige kütteseadme tootjalt põrkumise analüüsi, kasutades konkreetsete tsüklitingimuste lõplike elementide modelleerimist. Tarnija, kes ei saa seda analüüsi esitada, ei pruugi mõista paksuseinaliste kestade ainulaadseid rikkemehhanisme tsüklilises termilises teenuses.
