Πώς επηρεάζει η μέθοδος κατασκευής των σωλήνων από ανοξείδωτο χάλυβα 316 — Σχεδιασμένοι χωρίς ραφή έναντι συγκολλημένου και ανόπτησης — την επιλογή ασφαλούς πάχους τοιχώματος για θήκες ηλεκτρικών θερμαντήρων;

Η διαφορά μεταξύ των συρόμενων σωλήνων χωρίς ραφή και των συγκολλημένων και συγκολλημένων σωλήνων συνήθως αγνοείται από τους αγοραστές μηχανικούς και τους κατασκευαστές στοιχείων θέρμανσης που απαιτούν σωλήνα θήκης από ανοξείδωτο χάλυβα 316. Και τα δύο προϊόντα κατασκευάζονται με το ίδιο πρότυπο ASTM A269 ή A213 για χημικές και μηχανικές ιδιότητες. Και τα δύο έχουν το ίδιο ονομαστικό πάχος τοιχώματος και εξωτερικές διαμέτρους. Αλλά οι δύο διαδικασίες κατασκευής δίνουν σωλήνες με θεμελιωδώς διαφορετικές μικροδομές, καταστάσεις υπολειπόμενης τάσης και πληθυσμούς σφαλμάτων. Αυτές οι αποκλίσεις επηρεάζουν άμεσα το ελάχιστο ασφαλές πάχος τοιχώματος για μια συγκεκριμένη εφαρμογή, ιδιαίτερα όταν το περίβλημα εκτίθεται σε κάμψη, ταλάντωση, κραδασμούς ή θερμική ανακύκλωση. Το άρθρο δίνει μια ποσοτικοποίηση των διαφορών μηχανικής μεταξύ σωλήνων 316 χωρίς ραφή και συγκολλημένων σωλήνων για περιβλήματα θερμαντήρα. Δίνει παράγοντες μείωσης του πάχους τοιχώματος για κάθε τύπο κατασκευής και ορίζει κριτήρια επιλογής με βάση τη σοβαρότητα της διαμόρφωσης και τις συνθήκες λειτουργίας.

Διαφορές στη μικροδομή και ελαττώματα συγκολλημένων και χωρίς ραφή σωλήνων 316
Ο σωλήνας 316 χωρίς ραφές κατασκευάζεται με διάτρηση ενός συμπαγούς μπιλιέτας και στη συνέχεια σύροντας το κοίλο κέλυφος που σχηματίζεται πάνω από ένα μανδρέλι μέσω μιας διαδοχικής μήτρας μείωσης. Η μικροδομή του τελευταίου σωλήνα είναι ομοιογενής και δουλεύεται με γραμμές ροής κόκκων παράλληλες με την περιφέρεια του σωλήνα. Τα όρια των κόκκων είναι ομοιόμορφα και τυχαία προσανατολισμένα. Δεν υπάρχει διαμήκης ραφή συγκόλλησης, επομένως δεν υπάρχει πιθανότητα ελαττωμάτων συγκόλλησης όπως μερική διείσδυση, εγκλείσματα οξειδίων ή ευαισθητοποίηση ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα. Οι σωλήνες χωρίς ραφή, ωστόσο, έχουν δύο περιορισμούς για εφαρμογές θήκης θερμαντήρα. Πρώτον, το σχέδιο μπορεί να δημιουργήσει επιφανειακές γρατσουνιές και σφάλματα στο εσωτερικό του γύρου που δεν ανιχνεύονται εύκολα με μη-μη καταστροφικές δοκιμές. Δεύτερον, οι σωλήνες χωρίς ραφή με λεπτά τοιχώματα (πάχος τοιχώματος < 1,0 mm) γίνονται όλο και πιο ακριβοί και δύσκολο να παραχθούν χωρίς διακυμάνσεις πάχους τοιχώματος άνω του ±10%. Ο συγκολλημένος σωλήνας 316 είναι κατασκευασμένος από επίπεδη λωρίδα που έχει σχήμα ρολού σε κύλινδρο. Η διαμήκης ραφή είναι συγκολλημένη με σύντηξη, χρησιμοποιώντας συνήθως συγκόλληση βολφραμίου αδρανούς αερίου χωρίς μέταλλο πλήρωσης. Στη συνέχεια, ο σωλήνας τραβιέται και ανόπτεται εν ψυχρώ για να βελτιωθεί η μικροδομή της ζώνης συγκόλλησης και να αποκατασταθεί η αντίσταση στη διάβρωση. Σε καλά κατασκευασμένους συγκολλημένους και ανοπτημένες σωλήνες η ζώνη συγκόλλησης έχει ανακρυσταλλωθεί σε μια δομή κόκκων που σχεδόν δεν διακρίνεται από το βασικό μέταλλο. Αλλά η γραμμή συγκόλλησης εξακολουθεί να είναι μια πιθανή πηγή αδυναμίας. Ακόμη και μετά την ανόπτηση, η ζώνη συγκόλλησης μπορεί να εξακολουθεί να περιλαμβάνει ελαφρώς αλλοιωμένο προσανατολισμό κόκκων, υπολειμματικές τάσεις και στην περίπτωση κακώς επεξεργασμένου σωλήνα την καθίζηση καρβιδίων χρωμίου που μειώνει την τοπική αντίσταση διάβρωσης. Αυτές οι διακυμάνσεις γίνονται πρακτικά σημαντικές για τα καλύμματα θέρμανσης που θα λυγίσουν, θα ταλαντωθούν ή θα δονηθούν.

Επίδραση της μεθόδου κατασκευής στο ελάχιστο ασφαλές πάχος τοιχώματος για κάμψη
Οι θήκες των ηλεκτρικών θερμαντήρων συχνά διαμορφώνονται σε σχήματα U-, σχήματα L- ή μοναδικές γεωμετρίες για εισαγωγή στα ακροφύσια δοχείων ή για επίτευξη ομοιόμορφων μοτίβων θέρμανσης. Στη διαδικασία κάμψης η εξωτερική ακτίνα υπόκειται σε τάσεις εφελκυσμού και η εσωτερική ακτίνα υπό πίεση συμπίεσης. Για μια δεδομένη ακτίνα κάμψης, τα λεπτότερα τοιχώματα είναι πιο επιρρεπή σε λυγισμό στην πλευρά συμπίεσης και αραίωση τοιχωμάτων στην πλευρά τάνυσης. Η σημαντική παράμετρος είναι ο λόγος κάμψης - ακτίνα κεντρικής γραμμής κάμψης/εξωτερική διάμετρος σωλήνα. Με τη σωλήνωση 316 χωρίς ραφή, τα πάχη των τοιχωμάτων έως και 1,0 mm μπορούν να λυγίσουν σε αναλογία 3:1 χωρίς ειδικά εργαλεία ή εσωτερικά στελέχη. Για αναλογία κάμψης 2:1 απαιτείται ελάχιστο πάχος τοιχώματος 1,2 mm για ομαλή κατασκευή. Για συγκολλημένο και ανοπτημένο σωλήνα πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στον προσανατολισμό της ραφής συγκόλλησης προς το επίπεδο κάμψης. Ο κίνδυνος ρωγμής της ζώνης συγκόλλησης ελαχιστοποιείται εάν η ραφή συγκόλλησης βρίσκεται στον ουδέτερο άξονα της κάμψης - στη γραμμή μηδενικής τάσης. Το ελάχιστο ασφαλές πάχος τοιχώματος αυξάνεται κατά περίπου 25% όταν η ραφή συγκόλλησης βρίσκεται στην εξωτερική ακτίνα τάνυσης ή στην εσωτερική ακτίνα συμπίεσης. Για έναν συγκολλημένο σωλήνα με αναλογία κάμψης 3:1, το ελάχιστο πάχος τοιχώματος είναι 1,2 mm, με τη σωστή ραφή συγκόλλησης προσανατολισμένη. Για αναλογία κάμψης 2:1, ένας συγκολλημένος σωλήνας θα πρέπει να έχει πάχος τουλάχιστον 1,5 mm για οποιονδήποτε προσανατολισμό ραφής. Αυτές οι προτάσεις βασίζονται στην υπόθεση ότι η κατάλληλη ανόπτηση θα πραγματοποιηθεί μετά τη συγκόλληση. Οι μη ανοπτημένοι συγκολλημένοι σωλήνες, που σπάνια χρησιμοποιούνται σε θερμάστρες, αλλά βρίσκονται σε αντικείμενα χαμηλού κόστους, δεν πρέπει ποτέ να λυγίζονται, καθώς η ζώνη συγκόλλησης δεν είναι όλκιμο και θα σπάσει σε μέτριες καταπονήσεις.

Όρια για τη μείωση της λωρίδας και της διαμέτρου των θηκών χωρίς ραφή και συγκολλήσεις 316
Η εξωτερική διάμετρος του περιβλήματος που περικλείει τη μόνωση συμπαγούς οξειδίου του μαγνησίου και το σύρμα αντίστασης μειώνεται με τη λειτουργία αιώρησης. Οι λόγοι μετατόπισης-ο λόγος της αρχικής εξωτερικής διαμέτρου του σωλήνα προς την τελική διάμετρο-κυμαίνεται συχνά από 1,1:1 έως 1,4:1 για κανονική κατασκευή θερμαντήρα. Η αύξηση της αναλογίας swage αυξάνει την πυκνότητα της συσκευασίας MgO και βελτιώνει τη μεταφορά θερμότητας, αλλά επίσης αυξάνει την περιφερειακή καταπόνηση στο υλικό του περιβλήματος. Οι σωλήνες 316 χωρίς ραφή μπορούν να κολληθούν σε αναλογία 1,5:1 και να έχουν πάχος τοιχώματος τόσο χαμηλό όσο 0,8 mm πριν από τη μικρορωγμή ή την υπερ{13}}σκλήρυνση. Η ομοιογενής μικροδομή έχει ως αποτέλεσμα μια ομοιόμορφη κατανομή της τάσης στην περιφερειακή κατεύθυνση. Το Swaging έχει ένα χαμηλότερο πρακτικό όριο για τον συγκολλημένο και ανοπτημένο σωλήνα 316. Η ζώνη συγκόλλησης, ακόμη και μετά την ανόπτηση, παρουσιάζει μια ελαφρώς ευδιάκριτη δομή κόκκων που σκληραίνει με διαφορετικό ρυθμό από το υποκείμενο μέταλλο. Σε αναλογίες ταλάντωσης που υπερβαίνουν το 1,3:1, μπορεί να συμβεί τοπική αραίωση στη γραμμή συγκόλλησης λόγω διαφορικής τάσης ή, σε ακραίες καταστάσεις, διαμήκους ρωγμές. Για συγκολλημένους σωλήνες με πάχος τοιχώματος μικρότερο από 1,2 mm, η μέγιστη προτεινόμενη αναλογία καθαρισμού είναι 1,25:1. Για πάχος τοιχώματος άνω του 1,5 mm επιτρέπεται η αναλογία 1,35:1. Αυτοί οι περιορισμοί προκύπτουν από τον προσανατολισμό της ραφής συγκόλλησης έτσι ώστε να αποφεύγεται η συγκεντρωμένη επαφή του εργαλείου κατά την αιώρηση. Εάν η ραφή συγκόλλησης βρίσκεται στη γραμμή διαχωρισμού εργαλείων, απαιτείται πρόσθετο περιθώριο ασφαλείας.

Σύγκριση Ζωής Κόπωσης Δονήσεων και Θερμικής Ποδηλασίας
For heater sheaths subjected to vibration or thermal cycling, the fatigue performance of seamless tubing is always better than that of welded and annealed tubing for the same wall thickness. Seamless tubing has a continuous grain structure and does not have favoured crack initiation sites. Cracks have to start at surface faults or inclusions, which is very unusual in good quality seamless material. The weld zone in welded tubing remains more heavily populated with non-metallic inclusions, microvoids and grain boundary abnormalities, which serve as sites for the start of fatigue cracks, even after annealing. Rotating beam fatigue experiments on 316 tubing with 1.5 mm wall thickness indicate an endurance limit for seamless specimens of approximately 220 MPa at 10 million cycles. Welded and annealed specimens with the weld seam in the direction of highest stress achieve only 160 MPa for the same number of cycles, a reduction of 27%. Further improvement of the endurance limit to around 190 MPa, still 14% lower than seamless performance, is achieved when the weld seam is orientated in the neutral axis. In heater systems subject to vibration levels >2g, ή καθημερινοί θερμικοί κύκλοι από περιβάλλον έως 150 μοίρες, η σωλήνωση χωρίς ραφή προσφέρει ένα μετρήσιμο πλεονέκτημα αξιοπιστίας. Για στατικές εφαρμογές με μικρή ποδηλασία, η διαφορά είναι μικρή.

Μήτρα επιλογής πάχους τοιχώματος ανά διαδικασία κατασκευής και επίπεδο διαμόρφωσης
Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τα συνιστώμενα ελάχιστα πάχη τοιχώματος για 316 θήκες θερμαντήρα από ανοξείδωτο χάλυβα με βάση τη μέθοδο κατασκευής, τις απαιτούμενες διαδικασίες διαμόρφωσης και τις προβλεπόμενες συνθήκες συντήρησης. Τιμές που βασίζονται σε σωληνώσεις συμβατές με ASTM- από αξιόπιστες πηγές.

Μέθοδος κατασκευής Λειτουργίες που απαιτούνται για τη διαμόρφωση των συνθηκών συντήρησης Ελάχιστο συνιστώμενο πάχος τοιχώματος Μέγιστος λόγος αιώρησης Μέγιστος λόγος κάμψης (Κεντρική γραμμή/OD)
Χωρίς κάμψη Χωρίς ταλάντωση (μόνο ευθείες θήκες) Χωρίς ραφή, Στατικό, λίγοι κραδασμοί 0,8 mm Δεν ισχύει Δεν ισχύει
Αδιάλειπτη συρόμενη ταλάντωση αποκλειστικά, χωρίς κάμψη Στατική ή χαμηλή δόνηση 0,9 mm 1,5:1 Δεν ισχύει
Σχεδιασμένο χωρίς ραφές Χωρίς ταλάντωση, κάμψη Χαμηλή έως μέτρια δόνηση 1,0 mm Δεν ισχύει 3:1
Άνευ ραφής Κάμψη και αιώρηση Μέτρια δόνηση, θερμική ανακύκλωση 1,2 mm 1,4:1 3:1 Άνευ ραφής Κάμψη και αιώρηση Υψηλής δόνησης, έντονη θερμική ανακύκλωση 1,5 mm 1,3:1 4:1 Συγκολλημένη και ανοπτημένη Χωρίς κάμψη (1 mm καθαρό, όχι μόνο κάλυμμα) σχετικό Δ/Υ
Συγκολλημένα & ανοπτημένα Μόνο ταλάντωση, χωρίς κάμψη Στατική ή χαμηλή δόνηση 1,2 mm 1,25:1 Δεν ισχύει
Συγκόλληση, ανόπτηση Μόνο κάμψη, χωρίς ταλάντωση Χαμηλή δόνηση, ραφή συγκόλλησης στον ουδέτερο άξονα 1,2 mm Δεν ισχύει 3:1 με ουδέτερη ραφή
Συγκολλημένο και ανοπτημένο Κάμψη και αιώρηση Μέτριος κραδασμός, κύκλος θερμότητας 1,6 mm 1,2:1 4:1 με ουδέτερη ραφή
Συγκολλημένο και ανοπτημένο Κάμψη και αιώρηση Υψηλή δόνηση, οποιοσδήποτε κύκλος θερμότητας 2,0 mm 1,2:1 5:1 με ουδέτερη ραφή Κόστος και Διαθεσιμότητα Εμπόριο-Αποκλίσεις μεταξύ σωλήνων χωρίς ραφή και συγκολλημένων σωλήνων
Πρέπει να ληφθούν υπόψη οι τεχνικές διαφορές μεταξύ άνευ ραφής και συγκολλημένου σωλήνα 316, μαζί με το κόστος και τη διαθεσιμότητα. Για πάχος τοιχώματος άνω του 1,5 mm, ο σωλήνας χωρίς ραφή είναι περίπου 15-25 % πιο ακριβός από τους σωλήνες που συγκολλούνται και ανόπτονται στις ίδιες διαστάσεις. Η πριμοδότηση για σωλήνες χωρίς ραφή πέφτει στο 10–15% για πάχη τοιχώματος 1,0 mm έως 1,5 mm. Για πάχη τοιχωμάτων κάτω του 1,0 mm, οι συγκολλημένοι σωλήνες είναι δύσκολο να κατασκευαστούν με συνέπεια και οι σωλήνες χωρίς συγκόλληση είναι γενικά η μόνη προσβάσιμη επιλογή ή παρέχουν μόνο ένα μέτριο premium. Οι χρόνοι παράδοσης ποικίλλουν επίσης. Οι συγκολλημένοι σωλήνες κατασκευάζονται σε μεγαλύτερα συνεχή μήκη και είναι πιο συχνά διαθέσιμοι από στοκ σε τυπικά μεγέθη. Η κατασκευή σωλήνων χωρίς ραφή σε μύλο, ιδιαίτερα σε μη τυποποιημένες διαμέτρους και πάχη λεπτών τοιχωμάτων, έχει συχνά χρόνους παράδοσης από 8 έως 12 εβδομάδες. Οι συγκολλημένοι σωλήνες παρέχουν όφελος κόστους σε σχέση με το πριόνισμα και τη συγκόλληση για μεγάλες σειρές παραγωγής απλών σχεδίων θερμαντήρων με αποδεκτή αξιοπιστία εάν καθορίζεται ο κατάλληλος προσανατολισμός ραφής συγκόλλησης και η ανόπτηση. Οι σωλήνες χωρίς ραφή μειώνουν τον κίνδυνο σε μετρήσιμο βαθμό που κάνει το πρόσθετο κόστος να αξίζει τον κόπο για σημαντικές εφαρμογές με ακραία διαμόρφωση, υψηλούς κραδασμούς ή διακλαδώσεις ασφαλείας για αστοχία.

Συμπέρασμα: Προσαρμογή της Μεθόδου Παραγωγής στις Ανάγκες της Εφαρμογής
Όταν ο μηχανικός καθορίζει 316 περιβλήματα από ανοξείδωτο χάλυβα για ηλεκτρικούς θερμαντήρες εμβάπτισης, ο τρόπος με τον οποίο κατασκευάζεται η σωλήνωση δεν είναι μια μικρή λεπτομέρεια αλλά μια παράμετρος σχεδιασμού που έχει άμεσες συνέπειες για το ελάχιστο ασφαλές πάχος τοιχώματος. Ο συρόμενος σωλήνας χωρίς ραφή έχει ισχυρότερη ολκιμότητα για κάμψη, υψηλότερους επιτρεπόμενους λόγους αιώρησης και βελτιωμένη διάρκεια κόπωσης, επιτρέποντας τη χρήση λεπτότερων τοιχωμάτων σε απαιτητικές εφαρμογές. Ο συγκολλημένος και ανοπτημένος σωλήνας, εάν υποστεί σωστή επεξεργασία με έλεγχο του προσανατολισμού της ραφής συγκόλλησης, είναι αποδεκτός για εφαρμογές στατικής ή χαμηλής{3}}καταπόνησης με χαμηλότερο κόστος. Το μεγάλο λάθος είναι ότι πιστεύουμε ότι τα δύο στοιχεία είναι εναλλάξιμα. Η αντικατάσταση ενός σχεδιασμού θερμαντήρα με σωλήνωση χωρίς ραφή με πάχος τοιχώματος 1,0 mm από συγκολλημένο σωλήνα δεν είναι απλή, καθώς απαιτείται εκ νέου αξιολόγηση. Η συγκολλημένη έκδοση θα έχει μειωμένα περιθώρια ασφαλείας για κάμψη και ταλάντωση και μειωμένη διάρκεια κόπωσης υπό κραδασμούς. Κατά τον καθορισμό των προδιαγραφών του θερμαντήρα στους προμηθευτές, οι μηχανικοί θα πρέπει να ορίζουν την επιθυμητή διαδικασία κατασκευής του θερμαντήρα, δηλαδή χωρίς συγκόλληση ή συγκολλημένο αντί να προσδιορίζουν απλώς την ποιότητα του υλικού και τις διαστάσεις. Για εφαρμογές όπου το ελάχιστο πάχος τοιχώματος πλησιάζει τα όρια που αναφέρονται στην παραπάνω μήτρα, συνιστάται να ζητάτε αναφορές δοκιμών υλικού, συμπεριλαμβανομένων των δεδομένων μεγέθους κόκκων και σκληρότητας ζώνης συγκόλλησης για περαιτέρω διασφάλιση ποιότητας. Το πρόσθετο κόστος του καθορισμού σωλήνων χωρίς συγκόλληση για βασικές εφαρμογές είναι αμελητέο σε σύγκριση με το κόστος αστοχιών πεδίου λόγω θραύσης ραφών συγκόλλησης ή κατάγματος λόγω κόπωσης.