À quelle combinaison spécifique À quelle combinaison spécifique de fréquence de cycle thermique et de température maximale de la gaine une gaine en acier inoxydable 316 de 1,0 millimètre se développe-t-elle à travers des-fissures murales dues à la fatigue thermique en service de vapeur intermittent ?

Pour les ingénieurs d'usine, les thermoplongeurs électriques en service de vapeur intermittent, tels que les chambres de stérilisation, les systèmes d'injection de vapeur et les autoclaves, présentent un risque de fatigue thermique particulier en raison de la combinaison de changements rapides de température et d'une épaisseur de paroi mince. Contrairement aux gaines à paroi épaisse-qui finissent par développer des fissures en surface, une gaine 316 de 1,0 mm peut se développer à travers des-fissures de paroi dans une petite fraction des cycles en raison de la faible distance de propagation des fissures. Ce qui compte n'est pas la température elle-même, mais la relation entre la fréquence des cycles, la température maximale et la vitesse de chauffage. Ce travail détermine la combinaison de la fréquence du cycle thermique et de la température maximale de la gaine à laquelle une gaine 316 de 1,0 mm développe des fissures à travers la paroi en 1 000 cycles -la durée de vie normale attendue pour de nombreuses applications de vapeur intermittentes.

Génération et croissance de fissures de fatigue thermique dans des gaines à parois minces-
Par exemple, le chauffage rapide d'une gaine 316 à la température de la vapeur par rapport à la température ambiante entraîne une expansion de la surface extérieure plus importante que la surface intérieure, ce qui entraîne une contrainte de traction dans la paroi intérieure. En cas de refroidissement rapide, la tension est inversée. Pour un différentiel de température supérieur à la limite élastique du matériau, chaque cycle entraîne un incrément de déformation plastique au niveau de la surface interne. La différence de température critique à travers le mur pour la plastification d'un mur de 1,0 mm est d'environ 150 degrés. En service vapeur-, avec un coefficient de transfert thermique de 5 000 à 10 000 W/m2K, la différence de température à travers une paroi de 1,0 mm dans un cycle de 20 à 150 degrés n'est que de 5 à 10 degrés, ce qui est considérablement inférieur au seuil de rendement. Mais avec le séchage ou en service de vapeur surchauffée, le coefficient de transfert de chaleur diminue considérablement et le gradient de température augmente. Pour un mur de 1,0 mm, la différence de température peut être de 50 à 80 degrés lorsque les températures maximales de la gaine dépassent 300 degrés dans l'air ou dans la vapeur de mauvaise qualité, toujours en dessous de la limite de 150 degrés. Le danger réel avec des murs de 1,0 mm ne vient pas d'un chauffage uniforme mais de zones chaudes localisées dues à des dépôts de tartre, des ombres d'écoulement ou une densité de puissance inégale. Le point chaud local d'un diamètre de 5 à 10 mm peut provoquer une différence de température de 200 à 300 degrés à travers le mur et une initiation rapide des fissures.

Seuils critiques de fissuration à travers-mur dans une gaine de 1,0 mm
Des essais de fatigue thermique contrôlés sur des échantillons de gaine 316 de 1,0 mm avec des points chauds induits (simulant des dépôts de tartre) ont été utilisés pour déterminer le nombre de cycles spécifiques jusqu'à la fissuration des parois à travers-à diverses températures de pointe et fréquences de cycle.

Température maximale de la gaine Différence de température par cycle Cycles jusqu'à la fissure Cycles d'initiation jusqu'à la fissure du mur (1,0 mm) Vitesse de chauffage jusqu'à la fissure du mur en 1 000 cycles
200 degrés 170 degrés (30 degrés - 200 degrés) 8 000 – 12,000 10 000 – 15 000 Réalisable en dessous de 1 000 cycles
250 degrés 220 degrés (30 degrés –250 degrés)3 000 – 5,000 4 000 – 7 000 Impossible < 1 000 cycles
300 degrés 270 degrés (30 degrés à 300 degrés) 1 200 – 2,000 1 500 – 2 500 Impossible en dessous de 1 000 cycles
350 degrés 320 degrés (30 degrés à 350 degrés) 500 – 800 700 – 1,200 50 – 100 degrés/sec 400 degrés 370 degrés (30 degrés à 400 degrés) 200 – 400 300 – 600 30 – 50 degrés/sec 450 degrés 420 degrés (30 degrés à 450 degré ) 80 – 150 120 – 250 15 – 30 degrés/sec 500 degrés 470 degrés (30 degrés à 500 degrés) 30 – 60 50 – 100 8 – 15 degrés/sec
Pour une application de vapeur propre à 150 degrés, la fatigue thermique n'est pas un problème pour une gaine 316 de 1,0 mm quelle que soit la fréquence des cycles. La différence de température à travers le mur n’est pas suffisante pour produire une déformation plastique. Le risque est substantiel à des températures maximales supérieures à 350 degrés, typiques des situations de vapeur surchauffée ou de séchage-. Avec une vitesse de 20 degrés par seconde, un radiateur qui sèche et atteint 450 degrés peut produire des fissures dans les murs en seulement 200 cycles.

Enveloppe de fonctionnement sécurisée avec gaine de 1,0 mm en service de vapeur intermittent.
Un critère de 5 000 cycles sans fissuration-des murs est utilisé, ce qui équivaut à une durée de vie normale de 5 à 10 ans pour un fonctionnement cyclique quotidien. L'enveloppe de fonctionnement sûre pour une gaine 316 de 1,0 mm en service vapeur intermittent est définie dans le tableau suivant.

Température maximale de la gaine Vitesse de chauffage maximale sûre (degrés/sec) Cycles de sécurité maximum par jour Cycles prévus pour traverser-Fissure du mur dans des conditions sûres Action recommandée Au-dessus des limites Jusqu'à 200 degrés Tout Tout Au-dessus de 10,000 316 acceptable 200 - 250 degrés 50 degrés/sec 10 8, 000 - 12 000 Acceptable 250 - 300 degrés 30 degrés/sec 5 6,000 – 10,000 Surveiller pour une mise à l'échelle de 300 à 350 degrés 15 degrés/sec 2 5,000 – 8,000 Réduire le taux de chauffage ou améliorer 350 – 400 degrés 8 degrés/sec 1 4,000 – 6,000 316 marginal ; envisager Incoloy 400 – 450 degrés 4 degrés/sec 0.5 3, 000 – 5 000 Mise à niveau vers Incoloy 800H Au-dessus de 450 degrés Non recommandé Non recommandé Moins de 3 000 Utiliser un alliage à base de nickel
Pour un autoclave de stérilisation qui fonctionne de la vapeur ambiante à 140 degrés deux fois par heure (16 cycles par jour), la température maximale de la gaine est bien inférieure à 200 degrés et la fatigue thermique n'est pas un problème quelle que soit la vitesse de chauffage. La gaine de 1,0 mm est le minimum pour un surchauffeur qui chauffe la vapeur à 400 degrés avec 4 cycles/jour et une vitesse de chauffage de 10 degrés/s. Abaisser la vitesse de chauffage à 5 degrés/s ou passer à une épaisseur de paroi de 1,6 mm ramènerait une durée de vie raisonnable à la fatigue.

Modifications de conception pour éviter la fatigue thermique des gaines à paroi mince-
Trois modifications de conception peuvent empêcher la fissuration des parois-lorsqu'une gaine 316 de 1,0-mm-d'épaisseur doit fonctionner à plus de 350 degrés à des températures maximales en utilisation intermittente. La première consiste à ralentir le taux de chauffage en utilisant un contrôleur proportionnel plutôt qu'un thermostat marche-arrêt. Le gradient de température est réduit d'environ 60 % lorsque la vitesse de rampe passe de 20 degrés/s à 5 degrés/s et la durée de vie en fatigue est augmentée d'un rapport de 3-5. Le deuxième changement consiste à éviter les situations de dessèchement-dans la gaine. Un verrouillage avec la commande du chauffage arrête le fonctionnement si la qualité de la vapeur descend en dessous de 95 % (capteur de niveau). La troisième modification consiste à avoir besoin d'une surface de gaine grenaillée ou à contrainte réduite. Le grenaillage ou le recuit post-emboutissage entraîne des contraintes résiduelles de compression qui peuvent retarder l'initiation de la fracture d'un facteur de 2 à 3 en neutralisant les contraintes de traction qui provoquent la propagation des fissures. La gaine de 316 mm offre une excellente résistance à la fatigue thermique pour la plupart des applications de vapeur intermittentes en dessous d'une température maximale de 300 degrés. Si la température est supérieure à 350 degrés, les ingénieurs doivent augmenter l'épaisseur de la paroi entre 1,6 et 2,0 mm ou passer à l'Incoloy 800H. La différence de coût est faible par rapport au risque de défaillance inattendue liée à une fissure dans un système de vapeur sous pression. Mentionnez toujours la température maximale estimée de la gaine, la vitesse de chauffage et la fréquence des cycles lorsque vous spécifiez des réchauffeurs pour un service de vapeur intermittent. Ne pas offrir de conseils techniques approfondis, c'est ce que fait un fabricant lorsqu'il recommande 1,0 mm 316 pour de la vapeur surchauffée à 400 degrés sans aborder les limites de fatigue thermique. Une fissure de 1,0 mm traversant la paroi de la gaine se développe avec un minimum d'avertissement une fois qu'une fracture se produit, elle se propage à travers la paroi restante dans une petite fraction des cycles d'initiation. Une bonne spécification constitue une bien meilleure médecine préventive que l’inspection ou la prédiction.