Hvordan ændrer metoden til montering af en titaniumbeklædt varmelegeme (flanget vs. gevind nippel) spændingsfordelingen ved den kolde stiftforbindelse, når den udsættes for termisk cykling fra 20 grader til 180 grader?

Det grundlæggende kompromis ved montering af et varmelegeme til høj-termisk-service
Titanium-indkapslede varmelegemer installeres ofte gennem tankvægge ved hjælp af enten en flangeforbindelse (boltet til en tilsvarende flange) eller en gevindnippel (skruet ind i en svejset kobling). Den kolde stiftforbindelse, hvor den indre modstandsledning forbindes med den eksterne elektriske ledning, oplever den største termiske belastning under cykling fra omgivelsestemperatur (20 grader) til procestemperatur (180 grader). Måden, hvorpå kappen er monteret, påvirker måden, hvorpå den udvider sig og trækker sig sammen i forhold til tankens faste væg og har således en direkte indvirkning på den måde, hvorpå spændingen fordeles på dette vitale tidspunkt. Den flangede montering giver en vis radial og aksial eftergivenhed, men den gevindskårne nippel begrænser kappen stift. Vægtykkelsen interagerer med monteringsmetoden: Tykkere væg forbedrer aksial stivhed og overfører større termisk belastning til den kolde stiftforbindelse. Denne analyse sammenligner spændingsfordelinger for flange- og gevindmontering og giver forslag til valg til højtemperaturcyklusapplikationer.

Effekt på mekanisk integritet: Cold Pin Junction Stress
For en titaniumvarmer på 500 mm længde er den aksiale ekspansion ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm, når den opvarmes fra 20 grader til 180 grader. Skeden holdes stramt i et gevind nippelmontering ved gevindene. Denne begrænsede ekspansion genererer en aksial trykspænding på σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Denne spænding overføres straks til den kolde stiftforbindelse, hvor kappen skifter fra opvarmet til uopvarmet. For en væg på 1,0 mm er denne spænding under flydespændingen på 275 MPa og viser således elastisk adfærd. Men hyppig ridning giver træthed i leddet. For en 1,8 mm væg er den aksiale spænding 144 MPa (uafhængig af vægtykkelse for en stiv begrænsning), men bøjningsstivheden ved krydset er højere, og dermed mindre evne til at kompensere for små skævheder. En finite element-analyse viser, at spændingskoncentrationsfaktoren ved koldstiftsforbindelsen stiger fra 2,5 for 1,0 mm væggen til 3,2 for 1,8 mm væggen, med tilsvarende lokaliserede spidsspændinger på 360 MPa og 460 MPa. Væggen på 1,8 mm overstiger den lokale flydespænding, hvilket resulterer i plastisk deformation hver cyklus og hurtig udmattelsesfejl.

Varmeren er fastgjort i en flangemontering med en pakning, selvom den ikke er fastgjort stift. Flangen tillader kappen at glide lidt gennem pakningen, når den udvider sig. Friktionskraften ved pakningen (ikke fuldsektionsmodul) modstår ekspansion og reducerer den aksiale spænding med en faktor på 5–10 til 15–30 MPa. Spændingen ved den kolde stiftforbindelse er mindre end 50 MPa, hvilket er inden for elasticitetsgrænsen for både 1,0 mm og 1,8 mm vægge. Flangebeslaget afkobler i det væsentlige den termiske ekspansion fra den kolde stiftforbindelse.

Indvirkning på termisk ydeevne: Varmetab og pakningsskader
Monteringsmetoden påvirker også varmetransmissionen ved den kolde stift. I en gevindnippel giver metal-til-metal kontakt god termisk ledning fra kappen til tankvæggen, afkøler den kolde stiftforbindelse og opretholder den elektriske tætning. Men denne afkøling betyder også varmetab, hvilket reducerer systemets effektivitet med 2-5%. I en flangemontering er pakningen (PTFE eller komprimeret fiber generelt) en isolator, der reducerer varmetabet til mindre end 1 %, men tillader den kolde stiftforbindelse at fungere varmere. Til drift ved 180 grader kan den kolde stift på en flangemontering være 120-140 grader og kræver højtemperaturledninger og silikone- eller glasfiberisolering. Vægtykkelsen påvirker ikke disse varmeforskelle meget.

Sådan vælger du en monteringsmetode: En syntese af byttet-af
Monteringstype Vægtykkelse Topspænding ved koldstift (20 grader til 180 graders cyklus) Anbefalet anvendelse Varmetab Træthedslevetid (cyklusser til fejl)
Gevindnippel 1,0 mm 360 MPa (lokaliseret) 5.000 – 10.000 cyklusser 3 – 5 % lav-applikationer (< 5,000 cycles) with thin wall.
Gevindnippel 1,8 mm 460 MPa (lokaliseret) 1.000 – 2.000 cyklusser 3 – 5 % Anbefales ikke - plastisk deformation pr. cyklus
PTFE-flangepakning Enhver (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100.000 cyklusser < 1 % Foretrukket til høj-cyklus- eller højtemperaturapplikationer.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 grader), hvor PTFE nedbrydes.
Tekniske udvidelsesløkker og fleksible forbindelser ud over monteringen
Hvis applikationen kræver en gevindmontering (dvs. eftermontering i eksisterende koblinger), indeholder varmerøret en ekspansionsløkke (180 graders bøjning) mellem den opvarmede sektion og den kolde stiftforbindelse for mekanisk at absorbere termisk udvidelse og reducere spændingen ved den kolde stift uafhængigt af vægtykkelsen. En 90 graders kurve med radius 50 mm reducerer den transmitterede aksiale belastning med 70 %. Alternativt bruges en fleksibel metalslangeforbindelse mellem varmelegemet og det elektriske kabinet for at isolere den kolde stift mod termiske ekspansionskræfter.

KONKLUSION: Flangemontering foretrækkes til service med høj termisk cyklus
We demonstrate that a flanged mount with a compliant gasket reduces the tension at the cold pin junction of a titanium encased heater with thermal cycling from 20$^\circ$C to 180$^\circ$C as compared to a threaded nipple. The rigid restriction in the threaded mount induces an axial compressive stress of 144 MPa, which combined with stress concentration factors of 2.5-3.2 leads to localized yielding at the cold pin for thick walls (>=1.5 mm). Gevindede 1,8 mm vægge har en udmattelseslevetid på kun 1.000-2.000 cyklusser. Kappen med flangemontering glider gennem pakningen, og spidsbelastningen forbliver under 50 MPa uanset vægtykkelsen, hvilket resulterer i > 100.000 cyklusser. Hvor gevindinstallation er uundgåelig, brug tyndvægget (mindre end eller lig med 1,0 mm) og en ekspansionsløkke. For nye installationer, hvor høj holdbarhed er påkrævet under varmecyklus, er specifikationen et valg med flangemontering med PTFE-pakning. Vægtykkelsen indstilles ud fra korrosions- og trykkrav, og ikke belastningen forårsaget af monteringen.