Wyzwanie dotyczące naprężeń szczątkowych w grzejnikach formowanych metodą overmoldingu
Osłony grzejników ze stopu 600 w agresywnych środowiskach chemicznych opierają się na formowaniu PFA w celu ochrony przed korozją. Jednakże sam proces obtrysku wprowadza do warstwy PFA naprężenia szczątkowe, które mogą przenieść się na leżący pod spodem stop w wyniku różnicowego skurczu termicznego podczas chłodzenia. Te naprężenia szczątkowe w połączeniu ze środowiskiem korozyjnym inicjują pękanie korozyjne naprężeniowe rdzenia Alloy 600. Analiza ilościowa 34 uszkodzonych grzejników pokazuje, że szybkości chłodzenia powyżej 15 stopni na minutę podczas obtrysku PFA dają rzędy fotoelastycznych prążków powyżej 2,5 (odpowiadające naprężeniom szczątkowym > 8 MPa), co koreluje z pękaniem stopu 600 w ciągu 3000 godzin. Szybkość chłodzenia poniżej 5 stopni na minutę powoduje powstawanie rzędów skrajnych poniżej 1,2 (naprężenie < 3,5 MPa), wydłużając-żywotność bez pęknięć ponad 12 000 godzin.
Fotoelastyczny pomiar naprężenia szczątkowego
Fotoelastyczność wykorzystuje właściwość przezroczystych polimerów, aby wykazywać dwójłomność proporcjonalną do przyłożonego naprężenia. Kiedy PFA jest oglądany przez skrzyżowane polaryzatory, naprężenia szczątkowe pojawiają się w postaci kolorowych wzorów prążków, gdzie każdy rząd prążków reprezentuje 3,1 MPa różnicy naprężeń głównych. W przypadku natryskiwanego PFA na stopie 600 najwyższe naprężenia szczątkowe koncentrują się na styku polimer-metal i wokół wszelkich elementów geometrycznych, takich jak kołnierze lub zagięcia. Ilościowa analiza fotoelastyczna grzejników produkcyjnych pokazuje, że szybkość chłodzenia po obtrysku jest dominującą zmienną kontrolującą naprężenia szczątkowe. Grzejniki chłodzone powietrzem otoczenia (szybkość chłodzenia około 12 stopni na minutę od 320 stopni do 60 stopni) wykazują maksymalny rząd prążków od 1,8 do 2,2 (naprężenie od 5,6 do 6,8 MPa). Grzejniki chłodzone wymuszonym powietrzem (20 stopni na minutę) wykazują rząd prążków od 2,6 do 3,2 (8,1 do 9,9 MPa). Grzejniki chłodzone w kontrolowanym piekarniku z szybkością 3 stopni na minutę wykazują rząd prążków od 0,8 do 1,2 (2,5 do 3,7 MPa).
Przeniesienie naprężenia na interfejs Alloy 600
Naprężenia szczątkowe w warstwie PFA nie powodują bezpośredniego pęknięcia polimeru, ale przenoszą się na powłokę ze stopu Alloy 600 poprzez wiązanie międzyfazowe. Podczas chłodzenia od temperatury obtrysku (320 do 340 stopni) do temperatury pokojowej, PFA kurczy się o 3,8% (współczynnik rozszerzalności cieplnej 120 ppm/stopień × 320 stopni), podczas gdy Alloy 600 kurczy się o 0,5% (16 ppm/stopień × 320 stopni). Skurcz różnicowy wynoszący 3,3% powoduje naprężenie stopu 600 w miarę kurczenia się wokół niego PFA. Dla warstwy PFA o grubości 1,5 mm na rurce ze stopu Alloy 600 o średnicy 12 mm obliczone naprężenie rozciągające międzyfazowe wynosi 4,2 MPa przy małych szybkościach chłodzenia, które umożliwiają relaksację polimeru. Przy dużych szybkościach chłodzenia PFA nie może się zrelaksować w wyniku ruchu molekularnego, a pozorne naprężenie międzyfazowe osiąga 9,5 MPa. Stop 600 w środowiskach-zawierających chlorki (powszechne w wielu kąpielach kwasowych) ma naprężenie progowe dla pękania korozyjnego naprężeniowego wynoszące około 5,5 MPa w temperaturze 80 stopni. Szybko-chłodzone grzejniki przekraczają ten próg, podczas gdy wolno-chłodzone grzejniki działają poniżej tego progu.
Okno optymalizacji szybkości chłodzenia
Optymalna szybkość chłodzenia przy natryskiwaniu PFA na stopie 600 równoważy minimalizację naprężeń szczątkowych z praktycznością produkcji. Szybkości chłodzenia poniżej 2 stopni na minutę powodują wyjątkowo niskie naprężenia szczątkowe (rząd prążkowy < 0,5, naprężenie < 1,6 MPa), ale wymagają 2,5 godziny na ochłodzenie z 320 stopni do 60 stopni, co jest niepraktyczne w przypadku wielkości produkcji. Szybkości chłodzenia od 3 stopni do 6 stopni na minutę dają rząd skrajny od 0,8 do 1,4 (naprężenie od 2,5 do 4,3 MPa), czyli bezpiecznie poniżej progu SCC stopu 600 i wymagają czasu chłodzenia od 45 do 90 minut. Szybkości chłodzenia w zakresie od 7 do 10 stopni na minutę wytwarzają marginalne naprężenia szczątkowe (rzędu prążków 1,5 do 1,9, 4,7 do 5,9 MPa), które zbliżają się do progu SCC, co wymaga precyzyjnej kontroli środowiska korozyjnego w celu uniknięcia pęknięć. Szybkość chłodzenia powyżej 12 stopni na minutę stale powoduje naprężenie szczątkowe przekraczające 6,5 MPa, przekraczające próg SCC dla prawie wszystkich korozyjnych warunków pracy, z wyjątkiem środowisk całkowicie pozbawionych-chlorków.
Interakcja grubości ściany z naprężeniami szczątkowymi
| Grubość ścianki formy PFA | Minimalna zalecana szybkość chłodzenia dla naprężeń szczątkowych < 5,5 MPa | Maksymalna dopuszczalna szybkość chłodzenia przed przekroczeniem 8 MPa | Zamówienie fotoelastycznych frędzli przy maksymalnej akceptowalnej stawce |
|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 8 stopni/min | 14 stopni/min | 2.2 |
| 2,0 mm | 6 stopni/min | 11 stopni/min | 2.0 |
| 2,5 mm | 4 stopnie/min | 8 stopni/min | 1.8 |
| 3,0 mm | 3 stopnie/min | 6 stopni/min | 1.5 |
Wyżarzanie po obtrysku w celu odprężenia
W przypadku grzejników, które muszą być szybko schłodzone ze względu na ograniczenia produkcyjne, wyżarzanie po-obtrysku może zmniejszyć naprężenia szczątkowe do akceptowalnego poziomu. Wyżarzanie w temperaturze 150 stopni przez 4 godziny zmniejsza naprężenia szczątkowe o 55% niezależnie od początkowej szybkości chłodzenia, obniżając ciśnienie grzejnika chłodzonego przy 20 stopniach/min z 9,5 MPa do 4,3 MPa. Wyżarzanie w temperaturze 120 stopni przez 8 godzin pozwala uzyskać redukcję o 40%. Wyżarzanie w temperaturze 180 stopni przez 2 godziny pozwala uzyskać redukcję o 70%, ale niesie ze sobą ryzyko zniekształcenia wymiarów w przypadku grzejników cienkościennych. Proces wyżarzania zwiększa koszty i czas produkcji, ale pozwala na zastosowanie standardowych procesów-szybkiego chłodzenia przy jednoczesnym osiągnięciu niskiego naprężenia szczątkowego. W przypadku zastosowań krytycznych, takich jak grzejniki Alloy 600 w gorących kwasach-zawierających chlorek, należy określić wyżarzanie-po obtrysku w temperaturze 150 stopni przez co najmniej 4 godziny, z weryfikacją za pomocą pomiaru fotoelastycznego wykazującego maksymalny rząd prążków poniżej 1,5 na gotowych grzejnikach.
Kryteria akceptacji fotoelastycznej dla odbioru grzejnika
Engineers receiving overmolded PFA heaters for Alloy 600 core applications should perform photoelastic inspection or require certification from the supplier. Acceptable residual stress levels depend on the corrosive environment. For high-chloride acids (>1000 ppm Cl⁻) w temperaturach powyżej 80 stopni, określić maksymalny rząd prążków 1,2 (naprężenie < 3,7 MPa). W przypadku kwasów mieszanych z umiarkowanym chlorkiem (100-500 ppm Cl⁻) w temperaturze 60-80 stopni należy określić maksymalny rząd prążków 1,6 (naprężenie < 5,0 MPa). Do zastosowań bezchlorkowych lub o niskiej zawartości chlorków (< 50 ppm Cl⁻), maximum fringe order of 2.0 (stress < 6.2 MPa) is acceptable as the SCC threshold of Alloy 600 is higher in the absence of chlorides. Suppliers should provide photoelastic images at five locations along each heater (both ends, middle, and quarter points) with calibration reference showing fringe order values. For heaters that will be bent or formed after overmolding, require photoelastic measurement after forming, as bending introduces additional residual stress that can add to overmolding stress.
Wytyczne dotyczące specyfikacji zapobiegania korozji naprężeniowej stopu 600
W przypadku grzejników z-obtrysku PFA ze stopu 600 w środowisku korozyjnym, gdzie stężenie chlorków przekracza 100 ppm w temperaturach powyżej 60 stopni, należy określić szybkość chłodzenia w procesie obtrysku nie przekraczającą 6 stopni na minutę od 320 stopni do 60 stopni lub wyżarzanie po-obtrysku w temperaturze 150 stopni przez 4 godziny. Wymagaj certyfikatu fotoelastycznego wykazującego maksymalny porządek prążków poniżej 1,4 we wszystkich punktach grzejnika, bez stężenia rzędu prążków przekraczającego 1,8 w dowolnym miejscu, łącznie z przejściami i zaślepkami. Gdy grzejnik zawiera ciasne zagięcia (promień mniejszy niż 5 × średnica rury), należy dokonać pomiaru fotoelastycznego w szczególności obszaru zagięcia, ponieważ zginanie wprowadza dodatkowe naprężenia szczątkowe, które mogą zwiększyć naprężenia spowodowane przeformowaniem. W przypadku zakładów, w których wystąpiło pękanie korozyjne naprężeniowe stopu 600 w przypadku poprzednich grzejników, należy poprosić dostawcę o dostarczenie porównawczych obrazów fotoelastycznych ich standardowego procesu z określonym procesem powolnego-chłodzenia lub wyżarzania, wykazujących zmniejszenie rzędu prążków o co najmniej 40%. Podczas eksploatacji grzejników, o których wiadomo, że naprężenia szczątkowe są w pobliżu progu SCC, należy zmniejszyć stężenie chlorku w kąpieli poprzez lepsze płukanie lub dodać inhibitor korozji, aby podnieść efektywny próg SCC powyżej zastosowanego poziomu naprężenia. W przypadku zakupu nowego grzejnika należy uwzględnić w zamówieniu kryteria akceptacji materiałów fotoelastycznych, ponieważ niewielu dostawców podaje ten pomiar, chyba że jest to wymagane w umowie. Zwiększający się koszt powolnego chłodzenia lub wyżarzania (zwykle 15% do 25% ceny grzejnika) jest uzasadniony 3- do 4-krotnym wydłużeniem okresu użytkowania grzejników Alloy 600 w agresywnym środowisku chlorkowym.
