Jak tloušťka stěny pláště z nerezové oceli 316 ovlivňuje tepelnou roztažnost-napětí vyvolané MgO rozhraním během opakovaných zahřívacích cyklů od 20 do 400 stupňů Celsia?

Spojení mezi pláštěm z nerezové oceli 316 a izolací z oxidu hořečnatého je významným, ale často opomíjeným bodem selhání pro konstruktéry, kteří hodnotí dlouhodobou-životnost elektrických ponorných ohřívačů pracujících při cyklickém používání při vysokých-teplotách. Plášť 316 expanduje více než MgO s každým zahřívacím cyklem, protože koeficient tepelné roztažnosti 316 (asi 17 x 10 -6 / stupeň) je asi 2krát vyšší než u zhutněného MgO (asi 9 x 10 -6 / stupeň). Tato rozdílná expanze vede ke smykovým deformacím na rozhraní pláště{12}}MgO. Během tisíců cyklů mohou tyto tlaky vyvolat rozpojení, tvorbu mezer a případné přehřátí odporového drátu. Tato mezifázová napětí závisí přímo na tloušťce stěny pláště, protože silnější stěna omezuje expanzi jiným způsobem než tenká stěna. V této studii je kvantifikována korelace mezi tloušťkou stěny pláště a tepelnou roztažností způsobenou mezifázovým napětím, aby poskytla návrhy výběru pro aplikace s vysokým cyklem.

Rozhraní Sheath-MgO: Mechanika diferenciální tepelné expanze
Když je ohřívač postaven, MgO izolace je zhutněna proti vnitřnímu povrchu pláště 316 intenzivním tlakem pěchování. Výsledkem je těsné uložení s přesahem se zbytkovým tlakovým napětím na rozhraní. Oba materiály se teplem z ohřívače roztahují. Pochva 316 se snaží expandovat směrem ven v radiálním a obvodovém směru. MgO má nižší koeficient roztažnosti a odolává této expanzi. To má za následek snížení mezifázového tlakového napětí nebo při dostatečně vysokých teplotách přechod na tahové napětí a vznik mezery. Kritická teplota pro mezifázové oddělení závisí na počátečním zbytkovém napětí způsobeném pěchováním a na tuhosti stěny pláště. Radiální tuhost se zvyšuje s tloušťkou stěny pláště, což znamená, že odolává expanzi silněji a udržuje mezifázový kontakt při vyšších teplotách. Na druhou stranu, tenkostěnný{10} plášť je poddajnější a může umožnit tvorbu mezer při nižších teplotách. Když se však vytvoří mezera, tenkostěnná vložka zažije větší místní ohybové napětí v důsledku vychýlení nepodporované stěny pod vnitřním tlakem nebo tepelnými gradienty.

Kvantitativní korelace retence mezifázového napětí a tloušťky stěny
Studie konečných prvků pláště 316 o vnějším průměru 10 mm naplněného MgO stlačeným na 3,0 g/cm3 poskytuje kvantitativní odhady mezifázového napětí jako funkci tloušťky stěny a teploty. Mezifázové tlakové napětí po pěchování při pokojové teplotě je asi 30 MPa pro tloušťku stěny 1,0 mm, 45 MPa pro stěnu 1,5 mm a 60 MPa pro stěnu 2,0 mm. Tlustší plášť drží větší zbytkovou kompresi, protože proces pěchování působí na MgO větším napětím, než se plášť plasticky poddá. Mezifázové napětí klesá lineárně s nárůstem teploty v důsledku rozdílné expanze. Teplota rozpojení, když je mezifázové napětí nulové, je přibližně 280 stupňů pro 1,0 mm stěnu, 340 stupňů pro 1,5 mm stěnu a 380 stupňů pro 2,0 mm stěnu. Po rozpojení 1,0 mm plášť vykazuje mezifázové napětí v tahu ~ 5 MPa, zatímco 2,0 mm plášť zůstává pod tlakem během celého cyklu pro ohřívač maximální teploty 400 stupňů. Vazba mezi pláštěm a MgO se ztrácí, když se rozhraní stane tahovým. To má za následek malé mezery, které přispívají k tepelnému odporu od odporového drátu k plášti. MgO v oblasti mezery již není dobrým tepelným vodičem a může se vytvořit místní horké místo, které by mohlo urychlit oxidaci drátu.

Cyklická únava rozhraní a degradace ohřívače
V cyklickém provozu způsobuje opakovaná změna mezifázového napětí z tlakového na tahové nebo ze stlačeného na rozpojené kumulativní poškození na kontaktu pláště-MgO. Pro 1,0 mm stěnový plášť pracující mezi 20 stupni a 400 stupni, rozhraní vidí asi 300 stupňů teplotní změny. Každý cyklus jde od vysoké komprese při okolní teplotě přes nulové napětí při 280 stupních až po tah při 400 stupních. Toto cyklické obrácení napětí může podporovat opotřebení třením na rozhraní, čímž vzniká MgO prášek, který dále omezuje tepelný kontakt. Po 1000 cyklech může tepelný odpor na rozhraní vzrůst o 20-40 %, což vyžaduje vyšší teploty drátu, aby byl tepelný výkon konstantní. Pro 2,0 mm stěnový plášť ve stejném teplotním rozsahu je rozhraní stlačeno při všech teplotách. Napětí se pohybuje od 60 MPa stlačení při okolní teplotě do přibližně 10 MPa stlačení při 400 stupních -- vždy kladný kontaktní tlak. Žádný pražec nebo tvorba mezery. Experimentální testování 316 opláštěných ohřívačů vystavených 5 000 cyklům od 20 stupňů do 400 stupňů ukazuje, že 1,0 mm stěnové pláště mají 35% zvýšení tepelného odporu a 15% snížení izolačního odporu. Stejný test na 2,0 mm stěnových pláštích ukázal méně než 5% variaci v obou parametrech.

Doporučená tloušťka stěny pro aplikace s vysokým cyklem a vysokou teplotou
Následující tabulka uvádí doporučené tloušťky stěny pláště 316 pro danou maximální provozní teplotu a počet předpokládaných tepelných cyklů. Předpokládá konvenční postup kování a žádné následné-žíhání kování. Hodnoty předpokládají cílovou životnost bez podstatné ztráty tepelného výkonu.

Maximální teplota pláště Tepelné cykly očekávané během životnosti Doporučená minimální tloušťka stěny 316 Stav rozhraní při maximální očekávané teplotě Tepelný odpor Po cyklování nahoru
Až 250 stupňů C0,8 – 1,0 mm Libovolný počet Zůstává kompresní < 5 % 250 – 300 stupňů< 1,000 1.0 – 1.2 mm Close to zero or mildly tensile 5 – 10% 250 – 300°C 1,000 – 5,000 1.2 – 1.5 mm Compressive with margin< 5% < 300°C < 350°C < 500 1.2 – 1.4 mm Slightly tensile on peak 10 – 15%
300 – 350 stupňů 500 – 2,000 1.5 – 1,8 mm Zůstává v tlaku < 5 % 350 – 400 stupňů < 500 1.6 – 2,0 mm Mírně tažný ve špičce 10 – 20 %
350 – 400 stupňů 500 – 2,000 2.0 – 2,5 mm Zůstává kompresní<5%
>400 stupňů Libovolné číslo Nedoporučuje se u MgO Tvorba mezery je pravděpodobně nepředvídatelná
Pro aplikace vyžadující jak vysokou maximální teplotu, tak velký počet cyklů, jako jsou sterilizační zařízení nebo tepelné cyklovací pece, se důrazně doporučuje zvolit 2,0 mm a silnější 316 pouzdro. Musíme jen přijmout tepelnou penalizaci, která je vlastní tlusté stěně, jak bylo uvedeno v předchozích článcích, jako cenu dlouhodobé integrity rozhraní. Alternativně mohou inženýři specifikovat proces žíhání po-zhutňování, který snižuje zbytková napětí, ale také snižuje počáteční kompresi na rozhraní. Zachování mezifázového napětí je stejné pro žíhaný plášť o tloušťce 1,6 mm a pro nežíhaný plášť o tloušťce 1,2 mm. Záleží na tom, zda je aplikace více zaměřena na tepelnou účinnost nebo na životnost cyklu.

Konstrukční přístupy ke zmírnění mezifázového napětí v tenkých{0}}stěnách
Pro aplikace vyžadující tenkostěnný plášť pod 1,2 mm z důvodů tepelné odezvy, ale včetně tepelného cyklování na vysoké teploty, existují tři konstrukční řešení, která lze použít ke snížení mezifázového rozpojení. Prvním je přidání malého povlaku maziva nebo pasty se silnou tepelnou vodivostí na rozhraní pláště-MgO během montáže. Například silikonová maziva naplněná nitridem boru si zachovávají poddajnost v průběhu teplotních cyklů a vyplňují všechny mezery, které mohou vzniknout, a udržují tepelný kontakt. Druhou technikou je spuštění ohřívače na minimální pohotovostní teplotu namísto ochlazování na okolní teplotu mezi cykly. Pro cyklování ohřívače ze 150 °C na 400 °C místo z 20 °C na 400 °C je změna mezifázového napětí snížena přibližně o 50 %. Třetím přístupem je definovat plášť s menším vnějším průměrem se stejnou tloušťkou stěny. Radiální tuhost je úměrná čtvrté mocnině průměru. Tudíž pouzdro o vnějším průměru 6 mm se stěnou 1,0 mm má větší radiální tuhost než pouzdro o vnějším průměru 10 mm se stěnou 1,0 mm. Návrhář může zmenšit průměr, aby získal výhody tenké stěny pro tepelnou odezvu a stále měl mezifázový kontakt na vyšší teploty. Když jsou tenké stěny určeny pro cyklické použití při vysokých{20}}teplotách, měli by technici požádat výrobce ohřívačů o výpočty mezifázového napětí. Analýza je funkcí poměru redukce zhutnění, hustoty zhutnění MgO a předpokládaného teplotního profilu. Pokud tuto analýzu nemůžete získat od výrobce, je pochybné, že vyrábí spolehlivý ohřívač pro náročné cyklické aplikace.