400 ڈگری اندرونی دیوار کے درجہ حرارت پر مشترکہ اندرونی دباؤ اور تھرمل توسیع کی رکاوٹ سے کیا زیادہ سے زیادہ مساوی تناؤ 316 سٹینلیس سٹیل ہیٹر شیتھوں کی خرابی کو روکتا ہے

سائیکلک تھرمل مکینیکل لوڈنگ کی شیک ڈاؤن حد

316 سٹینلیس سٹیل شیتھڈ الیکٹرک ہیٹنگ ٹیوبوں میں ملٹی ایکسیل سٹریس سٹیٹ، جو بلند درجہ حرارت (400 سینٹی گریڈ اندرونی دیوار کے درجہ حرارت) پر چکراتی حالات میں کام کرتی ہے، جیسے وقفے وقفے سے عمل ہیٹنگ یا روزانہ آن-آف سائیکل والے سسٹم، اندرونی پریشر ہوپ اسٹریس اور تھرمل ایکسپینڈ اسٹریس کے امتزاج کی وجہ سے ہے۔ اگر مساوی تناؤ ( وون مائسز ) مواد کی ہلانے کی حد سے تجاوز کر جاتا ہے تو، میان ہر حرارتی دور (ریچٹنگ) کے دوران پلاسٹک کا تناؤ پیدا کرے گا، جس کے نتیجے میں قطر میں بتدریج اضافہ (سوجن) اور آخری پھٹ جائے گا۔ 400 ڈگری پر 316 کے لیے ہلانے کی حد تناؤ کے تناسب پر منحصر ہے، پیداوار کی طاقت سے تقریباً 1.5 سے 2.0 گنا زیادہ ہے۔ اگر تناؤ اس حد سے زیادہ نہیں ہوتا ہے، تو مواد چند چکروں (لچکدار شیک ڈاؤن) کے بعد لچکدار طریقے سے جواب دے گا۔ ریچٹنگ کی شرح 0.01-0.1 % سٹرین/سائیکل اس حد سے زیادہ ہے، اور ناکامی 1,000-10,000 سائیکلوں کے بعد ہوتی ہے۔ اس مقالے میں، زیادہ سے زیادہ مساوی تناؤ کا حساب 316 میانوں کے مشترکہ بوجھ کے تحت مفت آپریشن کے لیے کیا گیا ہے۔

ملٹی ایکسیل لوڈنگ کے تحت ریچٹنگ میکانزم

If a heater sheath is fixed at both ends (e.g. flanges or penetrations in the tank wall), thermal expansion during heating will produce axial compressive stress if the sheath is longer than required by its free length. At the same time, hoop tensile stress is induced by internal pressure, whether from sealed gas expansion or from process pressure. The axial stress may surpass yield in compression during heating and be reversed to tension during cooling. If the von Mises equivalent stress exceeds the cyclic yield strength of the material, the hoop direction is incremented by the amount of plastic strain for each complete heat cycle. This incremental strain builds up with each cycle resulting in a gradual increase in sheath diameter (ratcheting). The ratcheting rate is dependent on the axial-to-hoop stress ratio and mean stress level. For similar loads up to around 1.2× the yield strength, no ratcheting occurs (elastic shakedown). Ratcheting is observed at a low rate (10 -4 to 10 -3 per cycle) between 1.2x and 2.0x yield. Rapid ratcheting leads to failure in hundreds of cycles at >2.0x پیداوار۔

400 ڈگری پر Ratcheting کی روک تھام کے لیے مقداری مساوی تناؤ کی حدود

نیچے دی گئی جدول 316 سٹین لیس سٹیل کے لیے 400 ڈگری پر زیادہ سے زیادہ مساوی (وون مائسز) تناؤ دیتا ہے (تقریباً 140 ایم پی اے کی طاقت) مختلف ڈیزائن زندگیوں کے لیے مفت آپریشن کے لیے، جس کو پیداوار کی طاقت اور مطلق دباؤ کی قدروں کے ضرب کے طور پر دکھایا گیا ہے۔

پیداوار کے لحاظ سے مساوی تناؤ (وون مائسز) (400 ڈگری) مساوی تناؤ مطلق (ایم پی اے) ریچٹنگ سٹرین ریٹ (% سائیکل-1) سائیکل سے 2٪ قطر میں اضافہ (ناکامی کا معیار) ٹوٹنے کے لیے سائیکل سائیکل سروس کے لیے تجویز کردہ<1.0× (<140 MPa) <140 0 (elastic shakedown) >100,000 >200,000 ہاں
1.0-1.2× (140-170 MPa) 140-170<0.001 50,000-100,000 80,000-150,000 Yes (low risk)
1.2-1.5× (170-210 MPa) 170-210 0.001-0.005 10,000-50,000 15,000-80,000 اعتدال پسند سائیکلنگ کے لیے قابل قبول
1.5-1.8× (210-250 MPa) 210-250 0.005-0.02 2,500-10,000 4,000-20,000 مارجنل، مانیٹر
1.8-2.0× (250-280 MPa) 250-280 0.02-0.05 1,000-2,500 1,500-5,000 ہائی سائیکلوں کے لیے موزوں نہیں
2.0-2.5×(280-350 MPa) 280-350 0.05-0.10 200-1,000 300-2,000 Unacceptable >2.5× (>350 MPa) >350 >0.10 <200 <300 Not acceptable
مشترکہ لوڈنگ: مساوی تناؤ کا حساب

اندرونی دباؤ کے تحت ایک پتلی-دیوار والی ٹیوب (ہوپ اسٹریس σ_θ) اور ایک محوری پابندی (محوری تناؤ σ_z) کے لیے نہ ہونے کے برابر شعاعی تناؤ کے ساتھ، وون مائز کا مساوی تناؤ ہے: σ_vM=sqrt(σ_θ2 +} σ_σ_z{)۔ اندرونی دباؤ سے ہوپ کا دباؤ: σ_θ=P × D_mean / 2t۔ محوری تھرمل توسیع کی رکاوٹ کا تناؤ: σ_z=× E × ΔT × K، جہاں K ایک رکاوٹ کا عنصر ہے (مکمل طور پر غیر محدود توسیع کے لیے 0، مکمل طور پر محدود سروں کے لیے 1.0، جزوی رکاوٹ کے لیے درمیانی)۔ ایک ہیٹر کے لیے جس کے دونوں سروں کے ساتھ K=1.0 مقرر کیا گیا ہے اور محوری تناؤ حرارت کے لیے کمپریسیو (منفی) اور ٹھنڈک کے لیے تناؤ (مثبت) ہے۔ سب سے زیادہ $\\sigma_{vM}$ اس وقت ہوتا ہے جب محوری تناؤ مثبت (ٹھنڈا) ہو اور $\\sigma_\\theta$ جیسی علامت ہو۔ σ_z=17e-6 x 180 GPa (400C، E ~ 170 GPa پر) x 380=1100 MPa اگر مکمل طور پر محدود ہو تو - پیداوار سے بہت زیادہ۔ ایک عام 10 ملی میٹر OD کے لیے، 400C اندرونی دیوار کے درجہ حرارت پر 1.5 ملی میٹر وال میان (ڈیلٹا T=380C محیط سے)۔ عملی طور پر، موڑنے یا فلینج کی لچک کے ذریعے رکاوٹوں کا خاتمہ مؤثر K کو 0.3-0.7 تک کم کر دیتا ہے۔

عملی استعمال اور ڈیزائن کی سفارشات کی مثال

آئیے 400 ڈگری پر 2 MPa (20 بار) کے اندرونی دباؤ کے ساتھ 316 میان (10 ملی میٹر OD، 1.5 ملی میٹر دیوار) فرض کریں۔ ہوپ اسٹریس σ_θ=(2x8.5) / (2x1.5)=5.7 MPa (نہ ہونے کے برابر)۔ محوری رکاوٹ کے لیے، K=0.5, σz=0.5×1,100=550 MPa (کمپریسیو ہیٹنگ، ٹینسائل کولنگ)۔ مساوی تناؤ σ_vM=550 MPa (کیونکہ σ_θ چھوٹا ہے) جو کہ 400 ڈگری (140 MPa)-پر 3.9× کی پیداوار ہے تیز رفتار ریچٹنگ زون میں۔ ایسا ہیٹر 100 سے 200 چکروں میں ابلتا اور ناکام ہوجاتا ہے۔ σ_vM سے 1.2 x پیداوار (168 MPa) حاصل کرنے کے لیے، K کو 0.15 تک کم کرنا ہوگا، اس لیے ماؤنٹنگ کو پھیلانے کے لیے تقریباً آزاد ہونا چاہیے۔ 300 ڈگری سے اوپر چلنے والے کسی بھی ہیٹر کے لیے، ڈیزائن میں سلائیڈنگ سپورٹ، ایکسپینشن لوپس یا لچکدار کنکشنز ہوں گے تاکہ رکاوٹ کے عنصر کو 0.2 سے کم کیا جا سکے۔

ریچٹنگ کی ناکامی کا فیلڈ ثبوت

ریچٹنگ کی ناکامی کی سب سے نمایاں علامت میان کے قطر (سوجن) کا یکساں اور مستقل پھیلنا ہے جو عام طور پر 50-200 ملی میٹر کی لمبائی کے ساتھ گرم ترین حصے میں ہوتا ہے۔ ٹوٹنے سے پہلے 2-10% کے قطر میں ترقی دیکھ سکتا ہے۔ پھٹنا طولانی طور پر پھٹا ہوا ہے (ٹیوب کے محور کے متوازی) بجائے اس کے کہ طواف میں شگاف پڑ جائے، کیونکہ ریچٹنگ سے ہوپ کا تناؤ محوری تناؤ سے زیادہ ہوتا ہے۔ فریکچر کی سطح سائیکلک پلاسٹک کی اخترتی (ساحل سمندر کے نشانات) کے اشارے دکھا سکتی ہے۔ سروس میں موجود ہیٹروں کے لیے، کالیپر کے ساتھ متعدد مقامات پر میان کے قطر کی متواتر پیمائش ناکامی سے پہلے ریچٹنگ کا پتہ لگا سکتی ہے۔ 1% قطر میں اضافے کا مطلب یہ ہے کہ 25-50% ریچٹنگ لائف استعمال ہو چکی ہے۔

نتیجہ: ریچٹنگ کو روکنے کے لیے رکاوٹوں کا انتظام کرنا

400 ڈگری اندرونی دیوار کے درجہ حرارت پر 316 سٹین لیس سٹیل کے بند ہیٹر کے مفت آپریشن-کے لیے زیادہ سے زیادہ مساوی دباؤ چکراتی حالات میں تقریباً 1.2× پیداوار (168 MPa) ہے۔ اکیلے اندرونی دباؤ کی وجہ سے ہوپ تناؤ شاذ و نادر ہی اتنا بڑا ہوتا ہے کہ ریچٹنگ پیدا ہو۔ اہم تناؤ محوری تھرمل توسیع کی رکاوٹ ہے جو مضبوطی سے بندھے ہوئے میان کی صورت میں 1,000 MPa سے زیادہ ہو سکتی ہے۔ ماؤنٹنگ سسٹم کو سلائیڈنگ سیل، ایکسپینشن جوائنٹ یا لچکدار بریکٹ کے ذریعے مفت تھرمل توسیع کی اجازت دینے کے لیے ڈیزائن کیا جانا چاہیے تاکہ رکاوٹ کا عنصر K 0.2 سے کم ہو۔ جہاں مکمل پابندی ناگزیر ہے (مثال کے طور پر، دباؤ والے ویلڈڈ سسٹمز میں)، مواد کو زیادہ طاقت والے مرکب میں اپ گریڈ کرنے کی ضرورت ہے جیسے انکونل 625، یا کام کرنے والے درجہ حرارت کو 300 ڈگری سے کم کرنے کی ضرورت ہے۔ موجودہ فن تعمیر مساوی تناؤ کو ریچٹنگ ریٹ اور سائیکل لائف کے ساتھ جوڑتا ہے، جس سے خریداروں کو 316 میانوں کی وضاحت کرنے کی اجازت ملتی ہے جو کہ قطر میں نہیں بڑھیں گی یا سائیکلک تھرمل مکینیکل دباؤ سے نہیں ٹوٹیں گی۔