¿Qué tensión máxima equivalente de la presión interna combinada y la restricción de expansión térmica a una temperatura de la pared interior de 400 grados previene la falla del trinquete de las fundas del calentador de acero inoxidable 316?

El límite de shakedown de la carga mecánica térmica cíclica

El estado de tensión multiaxial en tubos calefactores eléctricos revestidos de acero inoxidable 316, que funcionan en condiciones cíclicas a temperaturas elevadas (temperatura de la pared interior de 400 C), como calentamiento de proceso intermitente o sistemas con ciclos diarios de encendido-apagado, se debe a la combinación de la tensión circular de presión interna y la tensión axial inducida por la expansión térmica. Si la tensión equivalente ( von Mises ) supera el límite de sacudida del material, la funda acumulará tensión plástica durante cada ciclo de calentamiento (trinquete), lo que dará como resultado un aumento gradual del diámetro (hinchazón) y la ruptura final. El límite de sacudida para 316 a 400 grados es aproximadamente de 1,5 a 2,0 veces el límite elástico, dependiendo de la relación de tensión. Si la tensión no excede este límite, el material responderá elásticamente después de algunos ciclos (sacudida elástica). La tasa de trinquete es de 0,01 a 0,1 % de tensión/ciclo por encima de este límite y la falla se produce después de 1000 a 10 000 ciclos. En este artículo, se calcula la tensión equivalente máxima para el funcionamiento sin trinquete de 316 vainas bajo cargas acopladas.

El mecanismo de trinquete bajo carga multiaxial.

If a heater sheath is fixed at both ends (e.g. flanges or penetrations in the tank wall), thermal expansion during heating will produce axial compressive stress if the sheath is longer than required by its free length. At the same time, hoop tensile stress is induced by internal pressure, whether from sealed gas expansion or from process pressure. The axial stress may surpass yield in compression during heating and be reversed to tension during cooling. If the von Mises equivalent stress exceeds the cyclic yield strength of the material, the hoop direction is incremented by the amount of plastic strain for each complete heat cycle. This incremental strain builds up with each cycle resulting in a gradual increase in sheath diameter (ratcheting). The ratcheting rate is dependent on the axial-to-hoop stress ratio and mean stress level. For similar loads up to around 1.2× the yield strength, no ratcheting occurs (elastic shakedown). Ratcheting is observed at a low rate (10 -4 to 10 -3 per cycle) between 1.2x and 2.0x yield. Rapid ratcheting leads to failure in hundreds of cycles at >Rendimiento 2,0x.

Límites de tensión equivalentes cuantificados para la prevención del trinquete a 400 grados

La siguiente tabla proporciona la tensión máxima equivalente (von Mises) para acero inoxidable 316 a 400 grados (límite elástico de aproximadamente 140 MPa) para operación sin trinquete para diferentes vidas de diseño, representada como múltiplos del límite elástico y los valores de tensión absoluta.

Esfuerzo equivalente (von Mises) en términos de rendimiento (400 grados) Esfuerzo equivalente absoluto (MPa) Tasa de deformación de trinquete (% ciclo-1) Ciclos hasta un 2 % de aumento de diámetro (criterio de falla) Ciclos hasta la ruptura Recomendado para servicio cíclico<1.0× (<140 MPa) <140 0 (elastic shakedown) >100,000 >200.000 sí
1,0-1,2× (140-170 MPa) 140-170<0.001 50,000-100,000 80,000-150,000 Yes (low risk)
1,2-1,5× (170-210 MPa) 170-210 0.001-0.005 10000-50000 15000-80 000 Aceptable para ciclos moderados
1,5-1,8× (210-250 MPa) 210-250 0.005-0.02 2,500-10,000 4,000-20 000 Marginal, monitor
1,8-2,0× (250-280 MPa) 250-280 0.02-0.05 1,000-2,500 1,500-5000 No apto para ciclos elevados
2.0-2.5×(280-350 MPa) 280-350 0.05-0.10 200-1,000 300-2,000 Unacceptable >2.5× (>350 MPa) >350 >0.10 <200 <300 Not acceptable
Cargas combinadas: cálculo de tensión equivalente

Para un tubo-de pared delgada bajo una presión interna (tensión de aro σ_θ) y una restricción axial (tensión axial σ_z) con tensión radial insignificante, la tensión equivalente de von Mises es: σ_vM=sqrt(σ_θ2 + σ_z2 - σ_θσ_z). Esfuerzo circular por presión interna: σ_θ=P × D_media / 2t. Esfuerzo de restricción de expansión térmica axial: σ_z=× E × ΔT × K, donde K es un factor de restricción (0 para expansión totalmente ilimitada, 1,0 para extremos totalmente restringidos, intermedio para restricción parcial). Para un calentador con ambos extremos fijos K=1.0 y la tensión axial es de compresión (negativa) para calentamiento y de tracción (positiva) para enfriamiento. El mayor $\\sigma_{vM}$ ocurre cuando la tensión axial es positiva (enfriamiento) y del mismo signo que $\\sigma_\\theta$. σ_z=17e-6 x 180 GPa (a 400 °C, E ~ 170 GPa) x 380=1100 MPa si está completamente limitado: muy por encima del rendimiento. Para un revestimiento de pared típico de 10 mm de diámetro exterior y 1,5 mm a una temperatura de la pared interior de 400 °C (Delta T=380C desde la temperatura ambiente). En la práctica, el alivio de las restricciones mediante flexión o flexibilidad de la brida reduce el K efectivo a 0,3-0,7.

Ejemplo de uso práctico y recomendaciones de diseño

Supongamos una funda de 316 (10 mm de diámetro exterior, 1,5 mm de pared) con una presión interna de 2 MPa (20 bar) a 400 grados. Esfuerzo circular σ_θ=(2x8,5) / (2x1,5)=5.7 MPa (despreciable). Para la restricción axial, K=0.5, σz=0.5×1,100=550 MPa (calentamiento por compresión, enfriamiento por tracción). La tensión equivalente σ_vM=550 MPa (porque σ_θ es pequeña), que es 3,9 × rendimiento a 400 grados (140 MPa)-bien dentro de la zona de trinquete rápido. Un calentador de este tipo se hincharía y fallaría en 100 a 200 ciclos. Para obtener σ_vM a 1,2 x rendimiento (168 MPa), K debe reducirse a 0,15, por lo tanto, el montaje debe estar casi libre para expandirse. Para cualquier calentador que funcione por encima de los 300 grados, el diseño deberá tener soportes deslizantes, bucles de expansión o conexiones flexibles para reducir el factor de restricción a menos de 0,2.

Evidencia de campo de falla del trinquete

El síntoma más llamativo de los fallos del trinquete es una expansión uniforme y permanente del diámetro de la vaina (hinchazón), normalmente en la parte más caliente a lo largo de una longitud de 50 a 200 mm. Puede ver un crecimiento en diámetro de 2-10% antes de la ruptura. La ruptura se divide longitudinalmente (paralela al eje del tubo) en lugar de agrietarse circunferencialmente, ya que la deformación circular causada por el trinquete es mayor que la deformación axial. La superficie de fractura puede presentar indicios de deformación plástica cíclica (marcas de playa). Para calentadores en servicio, la medición periódica del diámetro de la funda en numerosos sitios con un calibrador puede detectar el trinquete antes de que falle; un aumento del 1% en el diámetro implica que se ha utilizado entre el 25 y el 50% de la vida útil del trinquete.

Conclusión: gestionar las restricciones para evitar el trinquete

La tensión equivalente máxima para el funcionamiento sin trinquete-de calentadores revestidos de acero inoxidable 316 a una temperatura de pared interior de 400 grados es aproximadamente 1,2 veces el rendimiento (168 MPa) en condiciones cíclicas. La tensión del aro debida únicamente a la presión interna rara vez es lo suficientemente grande como para generar un trinquete. La tensión principal es la limitación de la expansión térmica axial, que puede ser superior a 1.000 MPa en el caso de una funda firmemente fijada. El sistema de montaje debe diseñarse para permitir la libre expansión térmica mediante sellos deslizantes, juntas de expansión o soportes flexibles de modo que el factor de restricción K sea inferior a 0,2. Cuando la limitación total es inevitable (por ejemplo, en sistemas soldados presurizados), el material debe actualizarse a una aleación de mayor resistencia, como Inconel 625, o la temperatura de trabajo debe reducirse por debajo de 300 grados. La arquitectura actual correlaciona la tensión equivalente con la tasa de trinquete y el ciclo de vida, lo que permite a los compradores especificar 316 fundas que no crecerán en diámetro ni se romperán debido a la tensión mecánica-térmica cíclica.