Wat is de kwantitatieve thermische spanning (MPa) ontwikkeld in een 2,5 mm dikke titanium verwarmingswand tijdens een afkoeling van 95 graden tot 20 graden water?

Een procesingenieur die zich zorgen maakt over schade door thermische schokken aan een dik{0}}wandige titaniumverwarmer (2,5 mm) na afschrikken van water van 95 graden naar 20 graden, kan de kwantitatieve thermische spanning bepalen die in de wand wordt gecreëerd op basis van de thermische spanningsvergelijking voor een snel gekoelde buis. Maximale thermische spanning (σ th ) treedt op aan het binnenoppervlak (uitgaande van snelle afkoeling van buitenaf) en wordt gegeven door: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) Waarbij E de elasticiteitsmodulus is (110 GPa), de thermische uitzettingscoëfficiënt is (8,6 × 10 -6 / graad), T Δ de temperatuurverandering is (75 graden), ν de Poisson-verhouding is (0,34) en f( ) is een geometriefactor die afhankelijk is van het Biot-getal (koelsnelheid). Voor een dik-wandige buis (t=2.5 mm, OD=25 mm) afgeschrikt in water (h=1,000-5.000 W/m²K, Biot-getal > 10) f( ) ≈ 1,0 (volledige thermische schok). De berekende thermische spanning is σ_th=(110 × 10 9 × 8,6 × 10 6 × 75) / (1 − 0,34)=(110e9 × 6,45e-4) / 0.66=(71 × 10 6) / 0.66=108 MPa. Deze spanning bedraagt ​​ongeveer 39 procent van de vloeigrens (275 MPa) en 54 procent van de maximale treksterkte (345 MPa). Scheurvorming door thermische vermoeiing kan worden veroorzaakt door herhaalde thermische schokken (100-1.000 cycli) bij spanningen onder de vloeigrens.

Mechanisme voor de vorming van thermische spanningen tijdens het blussen
Als een hete buis van titanium in koud water wordt gedompeld, koelt het buitenoppervlak af en wordt het snel samengedrukt. Het binnenoppervlak, dat heet blijft, verzet zich tegen deze samentrekking, waardoor het buitenoppervlak onder spanning komt te staan ​​en het binnenoppervlak onder druk (voor een buis die van buitenaf wordt gekoeld). Voor hoge warmteoverdrachtscoëfficiënten (h > 5.000 W/m²K) kan het temperatuurverschil over de wanddikte 30-50 graden bedragen voor een wand van 2,5 mm tijdens de eerste paar seconden van het blussen. De thermische spanning houdt verband met het momentane temperatuurverschil over de muur en is maximaal ongeveer 0,3-0,5 $\\times$ $\\Delta T_{total}$. De berekende 108 MPa is de maximale spanning tijdens het afschrikken. Als de vloeigrens wordt overschreden, vindt plastische vervorming plaats en zijn er na afkoeling resttrekspanningen aanwezig, waardoor de gevoeligheid voor spanningscorrosie toeneemt.

Kwantificering van thermische spanning als functie van wanddikte en ernst van de afschrikking
Wanddikte t (mm) Afschrikken Gemiddelde warmteoverdrachtscoëfficiënt h (W/m 2 K) Max. ΔT over de wand ( graden ) Thermische spanning (MPa) % van opbrengst (275 MPa) Gevaar voor plastische vervorming
1.5 Stilstaand water (mild) 500 15 22 8%Geen 1.5 Geroerd water 2,000 30 43 16% Geen
1.5 Afschrikken (koud water) 5,000 45 65 24% Geen
2.0 Quench (koud water) 5,000 55 79 29% Geen 2.5 Quench (koud water) 5,000 65 108 39% Geen (elastisch)
3,0 Afschrikken (koud water) 5,000 75 125 45% Geen (elastisch)
2.5 IJswater (0 graad , ΔT=95 graad ) 10,000 85 140 51% Bijna opbrengst
3,0 IJswater (0 graden) 10000 100 165 60%Plastische vervorming is waarschijnlijk
Een op scenario's-gebaseerde gids voor het beheer van thermische schokken
Bedrijfsconditie en afschriktype Wanddikte (mm) Thermische spanning (MPa) Risico op barsten Aanbevolen actie:
Normale uitschakeling, luchtkoeling (langzaam) 1,5-3,0 < 10 NietsGeen problemen
Normale uitschakeling, waterspoelen (warm) 1.5-2.0 20-40 Geen acceptabel
Noodblussing (koud water, één-keer) 2.5 108 Laag (één-keer) Acceptabel. Controle na het evenement.
Noodblussing (ijswater, eenmalig incident) 2.5 140 Matig (kan lokaal opleveren)Verwijder de verwarming voor onderzoek Controle op kromtrekken.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) met waterkoeling Verlaagde koelsnelheid.
Frequent (dagelijks) afschrikkenAlle > 2,0 > 100 Hoog (vermoeidheidsscheuren) Gebruik hellingskoeling (gecontroleerde snelheid) in plaats van afschrikken.
Quench from high temperature (>150 graden) 2,5 > 200 ErnstigNiet geadviseerd. Gebruik langzame koeling of een ander middel.
Technische beperking van door quench-geïnduceerde thermische spanning
Thermische uitdoving is onvermijdelijk bij dik-wandige titaniumverwarmers, maar er zijn drie oplossingen die de thermische spanning helpen verminderen. De eerste oplossing is het gebruik van warm bluswater (40-50 graden vs. 20 graden). Het verlagen van ΔT van 75 graden naar 45 graden vermindert de thermische spanning van 108 MPa naar 65 MPa (40% reductie), spanning ver onder de opbrengst. De tweede oplossing is het gebruik van stilstaand water in plaats van geagiteerd water (h=500 W/m2K in plaats van 5.000) om de blustijd te verlengen. De verminderde warmteoverdrachtscoëfficiënt vermindert de temperatuurgradiënt door de muur, waardoor de piekspanning wordt verminderd tot 22 MPa voor een muur van 2,5 mm. De derde oplossing is het voorkoelen van de verwarmer in de lucht vóór het afschrikken met water. Koelen in lucht van 95 graden naar 60 graden (10 min) gevolgd door afschrikken vermindert ΔT van 75 graden naar 40 graden en daarmee de thermische spanning.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C Afschrikken
Een 2,5 mm dikke graad 2 titanium verwarmingswand ervaart een kwantitatieve thermische spanning van ongeveer 108 MPa tijdens het blussen van water van 95 graden tot 20 graden met een warmteoverdrachtscoëfficiënt van 5.000 W/m2K (geroerd water). Deze spanning bedraagt ​​39% van de materiaalvloeigrens (275 MPa) en 54% van de maximale treksterkte (345 MPa). De spanning ligt nog steeds in het elastische bereik, zodat een enkele afschrikking geen plastische vervorming of snel falen zal veroorzaken. Herhaaldelijke hittedovingen (100-1000 cycli) kunnen scheuren door thermische vermoeidheid veroorzaken, vooral bij lassen, krassen of andere spanningsconcentratoren. Warm bluswater (40-50 graden), matige koeling in stilstaand water en luchtvoorkoeling vóór het blussen worden aanbevolen om de levensduur van de verwarmer te verlengen. Waar frequent afschrikken nodig is, vermindert het verlagen van de wanddikte tot 1,5-2,0 mm de thermische spanning tot 65-79 MPa, ruim binnen het veilige elastische bereik.