Hvad er den kvantitative termiske spænding (MPa) udviklet i en 2,5 mm tyk titaniumvarmevæg under en bratkøling fra 95 grader til 20 grader vand?

En procesingeniør, der er bekymret over termisk chokskade på en tyk-vægget titaniumvarmer (2,5 mm) efter bratkøling fra 95 grader til 20 grader vand, kan bestemme den kvantitative termiske spænding, der skabes i væggen, ud fra termisk spændingsligningen for et hurtigt afkølet rør. Maksimal termisk spænding (σ th ) forekommer ved den indvendige overflade (forudsat hurtig afkøling udefra) og er givet ved: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) Hvor E er elasticitetsmodul (110 GPa), er termisk udvidelseskoefficient (8,6 × 10 -6 er temperaturen), ν grad er ændringen), ν grad er , ν grad er ), Poissons forhold (0,34) og f( ) er en geometrifaktor afhængig af Biot-tallet (afkølingshastighed). For et tykt-vægget rør (t=2.5 mm, OD=25 mm) bratkølet i vand (h=1.000-5.000 W/m²K, Biottal > 10) f( ) ≈ 1,0 (komplet termisk stød). Den beregnede termiske spænding er σ_th=(110 × 10 9 × 8,6 × 10 6 × 75) / (1 − 0,34)=(110e9 × 6,45e-4) / 0.66=(71} × {{3}) / {{3} MP Denne spænding er omkring 39 procent af flydespændingen (275 MPa) og 54 procent af den maksimale trækstyrke (345 MPa). Termisk træthedsrevnedannelse kan fremkaldes af gentagne termiske stød (100-1.000 cyklusser) ved spændinger under flydespændingen.

Mekanisme for dannelse af termiske spændinger under bratkøling
Hvis et varmt rør af titanium dyppes ned i koldt vand, afkøles den udvendige overflade og komprimeres hurtigt. Den indvendige overflade, der forbliver varm, modarbejder denne sammentrækning, hvilket sætter den udvendige overflade i spænding og den indvendige overflade i kompression (for et rør, der er afkølet udefra). For høje varmeoverførselskoefficienter (h > 5.000 W/m²K) kan temperaturforskellen over vægtykkelsen være 30-50 grader for en 2,5 mm væg i løbet af de første par sekunder af bratkølingen. Den termiske spænding er relateret til den øjeblikkelige temperaturforskel over væggen, og den er maksimal ved ca. 0,3-0,5 $\\times$ $\\Delta T_{total}$. De beregnede 108 MPa er den maksimale spænding under bratkølingen. Hvis flydespændingen overskrides, sker der plastisk deformation og resterende trækspændinger er til stede efter afkøling, hvilket øger modtageligheden for spændingskorrosionsrevner.

Kvantificering af termisk stress som en funktion af vægtykkelse og slukningsgrad
Vægtykkelse t (mm) Sluk medium varmeoverførselskoefficient h (W/m 2 K) Maks. ΔT på tværs af væg (grad) Termisk spænding (MPa) % af udbytte (275 MPa) Fare for plastisk deformation
1,5 Stille vand (mildt) 500 15 22 8%Ingen 1,5 Omrørt vand 2,000 30 43 16% Ingen
1,5 Quench (koldt vand) 5,000 45 65 24% Ingen
2,0 Quench (koldt vand) 5,000 55 79 29% Ingen 2,5 Quench (koldt vand) 5,000 65 108 39% Ingen (elastisk)
3.0 Quench (koldt vand) 5,000 75 125 45% Ingen (elastisk)
2,5 Isvand (0 grader, ΔT=95 grad) 10,000 85 140 51% Tæt på udbytte
3,0 Isvand (0 grader) 10000 100 165 60%Plastisk deformation er sandsynlig
En scenariebaseret-vejledning til termisk stødhåndtering
Driftstilstand & bratkølingstype Vægtykkelse (mm) Termisk spænding (MPa) Revnerisiko Anbefalet handling:
Normal nedlukning, luftkøling (langsom) 1,5-3,0 < 10 IntetIngen problemer
Normal nedlukning, vandskylning (varm) 1.5-2.0 20-40 Ingen acceptabelt
Nødslukning (koldt vand, én-gang) 2.5 108 Lav (én-gang) Acceptabel. Tjek efter begivenheden.
Nødslukning (isvand, enkelt hændelse) 2.5 140 Moderat (kan give efter lokalt) Fjern varmelegeme til undersøgelse Warp-kontrol.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) med vandkøler Reduceret kølehastighed.
Hyppig (daglig) bratkølingAlle > 2,0 > 100 Høj (træthedsrevner) Brug rampekøling (kontrolleret hastighed) i stedet for bratkøling.
Quench from high temperature (>150 grader ) 2,5 > 200 Alvorlig Ikke anbefalet. Brug langsom afkøling eller andet stof.
Teknisk afbødning af køle-induceret termisk stress
Termisk bratkøling er uundgåelig på tykke-væggede titaniumvarmere, men der er tre begrænsninger, der hjælper med at reducere termisk stress. Den første afbødning er brugen af ​​varmt kølevand (40-50 grader vs. 20 grader). Reduktion af ΔT fra 75 grader til 45 grader reducerer termisk spænding fra 108 MPa til 65 MPa (40 % reduktion), spænding langt under udbytte. Den anden begrænsning er at bruge stillestående vand i stedet for omrørt vand (h=500 W/m2K i stedet for 5.000) for at øge bratkølingstiden. Den reducerede varmeoverførselskoefficient reducerer temperaturgradienten gennem væggen, hvilket reducerer spidsbelastningen til 22 MPa for en 2,5 mm væg. Den tredje afbødning er forkøling af varmelegemet i luft før vandkøling. Afkøling i luft fra 95 grader til 60 grader (10 min) efterfulgt af bratkøling reducerer ΔT fra 75 grader til 40 grader og dermed termisk stress.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C Slukning
En 2,5 mm tyk grad 2 titanium varmelegeme væg oplever en kvantitativ termisk spænding på omkring 108 MPa under en bratkøling fra 95 grader til 20 grader vand med en varmetransmissionskoefficient på 5.000 W/m2K (omrørt vand). Denne spænding er 39 % af materialets flydespænding (275 MPa) og 54 % af den maksimale trækstyrke (345 MPa). Spændingen er stadig i det elastiske område, således at en enkelt bratkøling ikke vil generere plastisk deformation eller hurtig fejl. Gentagne varmeslukninger (100-1.000 cyklusser) kan forårsage termisk træthedsrevner, især ved svejsninger, ridser eller andre spændingskoncentratorer. Varmt bratkølevand (40-50 grader), moderat afkøling i stillestående vand og luftforkøling før bratkøling anbefales for at forbedre varmerens levetid. Hvor hyppig bratkøling er nødvendig, reducerer sænkning af vægtykkelsen til 1,5-2,0 mm den termiske spænding til 65-79 MPa, godt inden for det sikre elastiske område.