¿Cómo afecta el radio de la soldadura de filete en la brida de montaje de un elemento calefactor de titanio a la vida útil de la funda cuando se somete a vibración inducida por flujo-en un depurador químico grande?

La compensación básica-en el diseño de soldaduras de filete por depuradores de alta-vibración
Los elementos calefactores de titanio se colocan a través de la pared del recipiente de grandes depuradores químicos mediante una conexión bridada. El área más afectada por la vibración inducida por el flujo es la soldadura de filete entre la funda de titanio y la brida de montaje. El flujo de gas depurador (5–15 m/s) provoca turbulencia y desprendimiento de vórtices, que sacuden el haz de calentadores en voladizo. La tensión de flexión alterna se concentra en el pie de la soldadura. El factor de concentración de tensión (SCF) está controlado por el radio de la soldadura de filete-la transición cóncava entre la cara de la soldadura y la superficie del tubo. Una punta de soldadura afilada (radio corto,<0.5 mm) produces a SCF of 3–5, i.e. the local stress is 3–5 times the nominal bending stress. Large fillet radii (>2 mm) conducen a un SCF de 1,5-2,0. El espesor de la pared tiene un efecto sobre la rigidez a la flexión y la tensión nominal, pero la variable más importante para la vida a fatiga es el radio de soldadura. Este estudio evalúa el efecto del radio de soldadura de filete sobre la vida a fatiga en circunstancias típicas de vibración del depurador y brinda sugerencias de diseño.

Impacto en la concentración de tensión de integridad mecánica en el pie de soldadura
Para un calentador en voladizo de longitud L, con una fuerza transversal F (de la vibración inducida por el flujo-), la tensión de flexión nominal en el extremo fijo (punto de soldadura) viene dada por: σ_nom=(F × L) / (π × D² × t / 4) La tensión local en el extremo de la soldadura está dada por σ_local=K_t × σ_nom donde K_t es el factor de concentración de tensión. Para una soldadura de filete con radio de punta r ​​y espesor de pared del tubo t, K t ~ 1 + 2 * (t/r)^0.5. Para una soldadura afilada (r=0.3 mm, t=1.5 mm), Kt=1 + 2 x (1,5/0,3)^0.5=1 + 2 x 2.24=5.5. Para un filete grande (r=2.5 mm, t=1.5 mm) Kt=1 + 2 x (1,5/2,5)0.5=1 + 2 x 0.77=2.5. El filete grande disminuye estrés local en más del 50 %.

La vida de fatiga (ciclos hasta la falla) viene dada por la ecuación de Basquin: N f=( σ f ' σ local ) 1 b donde b ≈ -0,12 para el titanio. Reducir σ local en un factor de 2,2 (de 5,5 a 2,5 K t ) mejora la vida a fatiga en un factor de aproximadamente (2,2) (1/0,12)=(2,2) 8,3 ≈ 800 veces. Un calentador que se apagaría en 1 mes con una punta de soldadura afilada podría vivir 800 meses (66 años) con un filete grande.

Efecto del tamaño de la soldadura y la transferencia de calor sobre el rendimiento térmico
Un radio de filete más alto aporta más metal de soldadura (mayor espesor de garganta) para ofrecer un canal de conducción térmica más grande desde la funda hasta la brida. Esto ayuda a que el calor se disipe un poco mejor del área de soldadura y evita puntos calientes aislados. La penalización térmica es pequeña. Sin embargo, un filete muy grande (r > 5 mm) puede causar interferencia con los calentadores cercanos en un haz o reducir la longitud calentada efectiva.

Síntesis de compensación: interacción entre el radio de soldadura y el espesor de la pared
Radio del pie de la soldadura de filete (mm) Factor de concentración de tensión (K_t, para t=1.5 mm) Vida de fatiga prevista (frente a la línea base de soldadura afilada) Justificación del espesor de pared mínimo de ingeniería del núcleo < 0,5 mm (afilado como-soldado) 5,0 – 6.0 1× (línea base,<6 month life)Any (no advantage) Not appropriate for vibration service
0,5 – 1,0 mm (pulido suave) 3,5 – 4.5 10 – 50 × 1,5 mm Aceptable para vibración moderada
1,0 – 2,0 mm (contorneado) 2,5 – 3.5 200 – 1000× 1,2 – 1,5 mm Bueno para la mayoría de las fregadoras
2,0 – 3,0 mm (filete generoso) 2,0 – 2.5 2,000 – 10,000× 1,0 – 1,2 mm Excelente, permite paredes más delgadas 3,0 mm (filete extremadamente grande)<2.0 >50.000× 1,0 mm Óptimo pero poco práctico
Una soldadura de filete grande (r mayor o igual a 2 mm) proporciona una mejora espectacular en la vida a fatiga y permite el uso de paredes más delgadas (1,0–1,2 mm). El radio de filete es más esencial que el espesor de la pared para resistir la fatiga.

Soldadura más allá de la soldadura: rectificado y tratamiento post-soldadura
Si no se puede lograr el radio de filete generoso deseado en la soldadura (ya sea debido a la posición o al acceso), se puede obtener el beneficio de fatiga equivalente rectificando el borde de la soldadura hasta obtener un contorno suave con un radio de al menos 1,5 mm. El pulido debe realizarse con un abrasivo fino (grano 120 o más fino) y luego pulirse para eliminar las marcas de pulido. El tratamiento TIG posterior-a la soldadura (re-fundir el borde de la soldadura sin metal de aportación) también minimiza la concentración de tensión al proporcionar una transición suave. Este enfoque puede mejorar la vida a fatiga en un factor de 5 a 10 con la geometría de soldadura original. El granallado o el granallado con aguja de la punta de la soldadura crean una tensión residual de compresión que mejora aún más la vida útil ante la fatiga.

Conclusión: Un radio de filete generoso (mayor o igual a 2 mm) permite un diseño de pared delgada-para servicio de vibración
La vida útil a la fatiga de un elemento calefactor de titanio en un depurador químico grande expuesto a vibraciones inducidas por el flujo-depende en gran medida del radio de la soldadura de filete en la brida de montaje. Si la punta de la soldadura es afilada (r < 0,5 mm), entonces el factor de concentración de tensión es 5-6 y la falla por fatiga ocurre en unos pocos meses, independientemente del espesor de la pared. Un radio de filete amplio (r mayor o igual a 2 mm) conduce a un factor de concentración de tensión de 2,0 a 2,5, lo que mejora la vida a la fatiga entre 2.000 y 10.000 veces y permite paredes más delgadas (1,0 a 1,2 mm). La especificación aprobada es una soldadura de filete con un radio de punta mínimo de 2 mm (rectificada o rectificada) combinada con un espesor de pared de funda de titanio de 1,2 mm. Proporcione la amplitud y frecuencia de vibración estimadas al fabricante para verificar la geometría de soldadura requerida. El espesor de la pared es una variable secundaria. El parámetro de diseño para la vida a fatiga en trabajos de depuración de alta vibración es el radio del filete de soldadura.