Při jaké konkrétní kombinaci teploty a aplikovaného tahového napětí dochází k přechodu pláště ohřívače 316 l z tečení na únavu-dominantní selhání při cyklickém zatížení 1 Hz (10 000 000 cyklů)

Limit únavy při vysokých cyklech-vibrací pro ohřívače

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} cyklů) zatížení.

Mechanismus interakce creep-únava

Při vyšších teplotách dochází k interakci únavy a tečení. Při čisté únavě se poškození hromadí za cyklus jako plastická deformace. Při čistém tečení se poškození hromadí jako funkce času pod stresem. Při vysokých teplotách a nízkých frekvencích (1 Hz je nízká frekvence pro únavové testování) má každý cyklus zadržení při maximálním namáhání (obvykle 0,5 sekundy pro trojúhelníkovou vlnu při 1 Hz). Během této doby zdržení se může vyvinout creepová kavitace. Celkové poškození lze zapsat jako lineární pravidlo součtu poškození: (N/Nf) + (t/tr)=Dcrit, kde N je počet cyklů, Nf je počet cyklů do selhání při čisté únavě (bez tečení), t je doba pod napětím a tr je doba do prasknutí v čistém tečení. Ke změně dojde, když se dva příspěvky ke škodě rovnají. Pro průměrné zatížení ohřívače (30-100 MPa) je teplota přechodu kolem 550-600 stupňů pro zatížení 1 Hz.

Kvantifikovaný cyklický (1 Hz) vs. statická životnost při tečení při různých teplotách

Statické protržení při tečení a řízené testování únavy vtlačením-tahem (R=0, trojúhelníková vlna, 1 Hz) vzorků trubek o objemu 316 l při stejném špičkovém napětí vedly k následujícím cyklům selhání a přechodového chování.

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 Únava Ne (limit odolnosti ~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 Creep (ale přežije 107 cyklů?) Okrajová
Frekvenční závislost teploty přechodu

Poškození při tečení je podporováno nižšími frekvencemi (delší doby zdržení při špičkovém namáhání) Únava je podporována vyššími frekvencemi U ohřívačů jsou vibrace-vyvolané čerpadlem často 1 Hz.

Frekvence (Hz) Teplota, při které jsou tečení a únavové poškození stejné (pro špičkové zatížení 60 MPa) Teplota 10^7 Limit únavy cyklu (MPa, 50% statický výtěžek)
0.1 500 stupeň 525 stupeň 0.5 530 stupeň 550 stupeň 1 550 stupeň 575 stupeň 2 570 stupeň 600 stupeň 5 600 stupeň 620 stupeň Praktická doporučení pro instalaci ohřívačů v prostředí se sklonem k vibracím-

316L zapouzdřené ohřívače, situace s vysokými-vibracemi. Požadavky na konstrukci a materiál pro životnost 10⁷ cyklu při 1 Hz.

Maximální přípustná amplituda střídavého napětí pro 107 cyklů (MPa) Maximální provozní teplota (stupně) Doporučené umístění ohřívače Další tlumení vibrací<200 200Standard rigid base200-300 180Rubber isolated, rigidElective 300-400 140Flexible mount (springs) Suggested
400-500 100 Izolace vibrací + flexibilní držákPožadováno 500-550 60Plovoucí držák (žádná pevná připojení) Potřebný + zmírnění stresu
550-600 30-40 Heat transfer with flexibility for remote mountingRequired (or upgrade to 347) >600Nelze použít (kontrolováno plíživým pohybem) Upgrade na 347 nebo 310 N/A
Závěr: Únava versus plížení pro 10 7 cyklus života

U plášťů ohřívačů z nerezové oceli 316L k přepnutí z poruchy s dominantním únavou na poruchu s dominantním tečením dochází při asi 550-600 stupních pro zatížení 40–100 MPa při 1 Hz cyklickém zatížení (typické pro vibrace čerpadla nebo pulsace řízené průtokem). Při 550 stupních je povolená alternativní amplituda napětí pro 10⁷ cyklů (asi 4 měsíce nepřetržité vibrace při 1 Hz) 40-60 MPa; při 600 stupních se sníží na 20-40 MPa. Technici, kteří specifikují ohřívače pro použití s ​​vysokými vibracemi nad 500 stupňů, musí snížit povolené namáhání nebo přejít na slitiny s vyšší teplotou (347, 310). Při teplotách pod 500 stupňů může 316L odolat 10⁷ cyklům při namáhání od 100 do 180 MPa, pokud je regulováno střídavé napětí (amplituda vibrací). Tento zde zobrazený rámec dává do souvislosti teplotu, aplikované cyklické namáhání a frekvenci s 10 7 limity únavové odolnosti cyklu. Kupující si tak mohou vybrat takové konstrukce ohřívačů a montážní techniky, které zabraňují předčasnému selhání v důsledku vysoké únavy cyklu v situacích náchylných k vibracím.