עבור מהנדסי תהליכים האחראים על מחממי טבילה חשמליים בכורים ובאוטוקלאבים בעלי מעיל, דרישות המחזור התרמי של עיבוד כימי אצווה יוצרות תנאי עייפות ייחודיים הנראים לעתים נדירות בשירות מתמשך. כור עשוי להסתובב בין 20 מעלות ל-200 מעלות ולחזור מספר פעמים ביום, כאשר קצבי החימום נשלטים על ידי הדרישות של התגובה הכימית. עובי הדופן של מעטפת הנירוסטה 316 משנה מהותית את תגובת המתח- למחזורים אלה. באופן מנוגד לאינטואיציה, קיר עבה של 2.5 מ"מ עלול להיכשל כתוצאה מחגרה פלסטית-הצטברות מתקדמת של מתח בכיוון אחד עם כל מחזור-בעוד שקיר דק של 1.2 מ"מ נשאר אלסטי ושורד ללא הגבלה. מאמר זה מזהה את השילוב הספציפי של תדירות מחזור תרמי ודלתא של טמפרטורה שבה נכשל של מעטפת 2.5 מ"מ 316 לפני נדן של 1.2 מ"מ בשירות חימום כור עם מעיל.
המנגנון של מחגר פלסטיק במעטפות עבות-בקירות
מחגר פלסטי מתרחש כאשר רכיב חווה מתח תרמי מחזורי העולה על חוזק התפוקה של החומר בכיוון אחד אך לא הפוך. עבור מעטפת 316 עבה- שעוברת חימום מהיר, המשטח החיצוני מתרחב יותר מהמשטח הפנימי, ויוצר מתח לחיצה מבחוץ ומתח מתיחה מבפנים. אם הלחץ הזה עולה על התשואה, החומר מתעוות מבחינה פלסטית. במהלך הקירור, המשטח החיצוני מתכווץ מהר יותר, מה שהופך את כיוון הלחץ. אם מתח הקירור אינו עולה על התפוקה, החומר אינו חוזר במלואו למצבו המקורי. עם כל מחזור חימום, תוספת קטנה של מתח מתיחה מצטברת על פני השטח הפנימיים. לאחר אלפי מחזורים, זן המחגר הזה יכול להגיע ל-5-10%, ולגרום לדילול ובסופו של דבר לסדקים. עבור דופן דק של 1.2 מ"מ, שיפוע הטמפרטורה על פני הקיר קטן בהרבה, כך שהמתח התרמי נשאר מתחת לתפוקה הן בחימום והן בקירור, וכתוצאה מכך אין גירושים. הפרמטר הקריטי הוא מספר הביוט-היחס בין התנגדות מוליכה פנימית להתנגדות הסעה חיצונית. עבור קירות עבים במדיות הסעה נמוכות- כגון נוזלי כור צמיגיים, מספר ה-Biot חורג מהסף ל-ratcheting.
סף כמותי לכישלון מחגר
ניתוח אלמנטים סופיים של 316 מעטפות בשירות כור עם מעיל עם העברת חום טבעית בהסעה (מקדם של 200 W/m²·K) קובע את הספים הבאים. עבור קיר בגודל 2.5 מ"מ, הרתיחה מתחילה כאשר הדלתא של הטמפרטורה למחזור עולה על 120 מעלות וקצב החימום עולה על 5 מעלות לדקה. בדלתא של 150 מעלות וקצב חימום של 10 מעלות לדקה, עומס החגר למחזור הוא כ-0.02%. לאחר 10,000 מחזורים, המתח המצטבר הכולל מגיע ל-2%, מה שגורם לדילול דופן מדיד. לאחר 25,000 מחזורים, המתח מגיע ל-5%, עם סדקים גלויים. עבור קיר של 1.2 מ"מ בתנאים זהים, שיא המתח התרמי הוא רק 120 MPa-הרבה מתחת לחוזק התפוקה של 200 MPa של 316 ב-150 מעלות -לכן לא מתרחשת דחיקה. בדלתא של טמפרטורה מעל 180 מעלות, הקיר בגודל 1.2 מ"מ מתחיל לחוות דחיקה, אך הקיר של 2.5 מ"מ נכשל בדלתא של 130 מעלות. לכן, הדלתא הקריטית להיפוך מחגר היא 120-140 מעלות. מתחת לטווח הזה, גם לא מחבשי קיר. מעל טווח זה, הקיר בגודל 2.5 מ"מ מתחזק ואילו הקיר בגודל 1.2 מ"מ נשאר אלסטי עד לדלתא גבוהה בהרבה.
ספי מחגר קריטיים עבור 316 עובי דופן נדן
הטבלה הבאה מספקת את שילובי דלתא וקצב חימום קריטיים של טמפרטורה שבה מתחילים רטוש פלסטיק עבור עובי דופן שונים של 316 נדן בשירות של כור עם מעיל. הערכים מניחים הסעה טבעית בנוזל צמיג (200 W/m²·K) וטמפרטורת פעולה מקסימלית של 200 מעלות.
| עובי דופן הנדן | דלתא של טמפרטורה מינימלית להתחלה של מחליק | קצב חימום מינימלי ל-Ratcheting ב-150 מעלות דלתא | מתח מחגר לכל מחזור ב-150 מעלות דלתא, 10 מעלות/דקה | מחזור ל-2% הצטברות מתח | מחזורים עד כישלון (5% מתח) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.8 - 1.0 מ"מ | מעל 180 מעלות | מעל 20 מעלות/דקה | אין מתחת ל-180 מעלות | לא ישים | לא ישים |
| 1.2 - 1.4 מ"מ | מעל 170 מעלות | מעל 15 מעלות/דקה | אין מתחת ל-170 מעלות | לא ישים | לא ישים |
| 1.6 - 1.8 מ"מ | 150 - 160 מעלות | 12-15 מעלות/דקה | 0.005 – 0.010% | 20,000 – 40,000 | 40,000 – 80,000 |
| 2.0 - 2.2 מ"מ | 130 - 140 מעלות | 8-10 מעלות/דקה | 0.015 – 0.025% | 8,000 – 13,000 | 20,000 – 30,000 |
| 2.5 - 2.8 מ"מ | 120 - 130 מעלות | 5-8 מעלות/דקה | 0.020 – 0.035% | 5,000 – 10,000 | 12,000 – 25,000 |
עבור כור אצווה שעובר מחזוריות מ-20 מעלות ל-200 מעלות (דלתא של 180 מעלות) פעמיים ביום, ספירת המחזורים השנתית היא כ-730 מחזורים. בדלתא זו, נדן של 2.5 מ"מ יצבור 0.025-0.035% מתח למחזור, ויגיע ל-2% מתח לאחר 5,000-8,000 מחזורים, או 7-11 שנים. נדן בגודל 1.2 מ"מ לא יחווה דחיקה וייכשל רק ממנגנונים אחרים כגון קורוזיה או עייפות רעידות. עבור כורים עם קצבי חימום מהירים יותר-כגון אלו המשתמשים במחזור שמן חם או קיטור-התחלת הדחיקה מתרחשת בדלתא נמוכות יותר. כור שמחמם מ-50 מעלות ל-200 מעלות ב-20 מעלות לדקה יוצר דלתא של 150 מעלות אך שיפוע תרמי גבוה מאוד. בתנאים אלה, נדן של 2.5 מ"מ עלול להיכשל תוך 2,000 מחזורים בודדים (3 שנים בשני מחזורים ביום), בעוד שעטיפה של 1.2 מ"מ נשארת בטוחה.
שינויי עיצוב למניעת מחיקות
כאשר נדרשת מעטפת 316 עבה-לצורך בלימת לחץ או מתן קורוזיה בשירות כור מחזורי, שלושה שינויי עיצוב יכולים למנוע מחגר פלסטי. הראשון הוא להגביל את קצב החימום. הפחתת קצב הרמפה מ-10 מעלות לדקה ל-3 מעלות לדקה מפחיתה את השיפוע התרמי החולף בכ-60%, תוך שמירה על מתחים מתחת לתפוקה אפילו עבור קיר של 2.5 מ"מ. השינוי השני הוא לחמם מראש את הכור לטמפרטורת המתנה מינימלית של 80 מעלות במקום קירור לסביבה. הפחתת הדלתא מ-180 מעלות ל-100 מעלות מבטלת את החבטות לחלוטין ללא קשר לעובי הדופן. השינוי השלישי הוא לציין חומר עם התפשטות תרמית נמוכה יותר וחוזק תפוקה גבוה יותר בטמפרטורה. ל-Incoloy 800H מקדם התפשטות תרמית של 14 × 10⁻⁶/מעלה לעומת 17 × 10⁻⁶/מעלה עבור 316, ושומר על חוזק גבוה יותר ב-200 מעלות. שילוב זה מפחית את המתח התרמי בכ-25% עבור אותה דלתא ועובי דופן. עבור רוב יישומי הכור האצווה, בחירה בעובי דופן של 1.2-1.6 מ"מ מונעת מחגר לחלוטין תוך מתן חוזק מכני מספיק. מהנדסים שמציינים אוטומטית קירות עבים עבור "עמידות" בשירות מחזורי עלולים לבחור בטעות עיצוב שנכשל בטרם עת כתוצאה מחגרה. המפרט הנכון מחייב לנתח את הדלתא הצפוי של המחזור וקצב החימום, ולאחר מכן בחירת הקיר הדק ביותר העונה על דרישות הלחץ והקורוזיה. כאשר יש ספק, בקש ניתוח מחיק מיצרן התנור תוך שימוש במודלים סופיים של תנאי המחזור הספציפיים. ספק שאינו יכול לספק את הניתוח הזה עשוי שלא להבין את מנגנוני הכשל הייחודיים של מעטפות עבות-בקירות בשירות תרמי מחזורי.
