Όταν χρησιμοποιείται ένας σωλήνας θέρμανσης τιτανίου σε έναν εξατμιστή ψύκτη άλμης (βυθισμένος σε άλμη 20% CaCl2 σε -20 βαθμούς έως 40 μοίρες κύκλους αντλίας θερμότητας), Πώς επηρεάζει το πάχος του τοιχώματος τον κίνδυνο ευθραυστότητας και θραύσης σε χαμηλή θερμοκρασία;

Το βασικό εμπόριο-του σχεδιασμού θερμαντήρα τιτανίου για την υπηρεσία Subzero Brine
Οι εξατμιστές ψύκτη άλμης χρησιμοποιούν άλμη 20% χλωριούχου ασβεστίου (CaCl2) ως δευτερεύον ψυκτικό μέσο, ​​που λειτουργεί στους -20 βαθμούς (εξάτμιση) και 40 βαθμούς (συμπύκνωση/απόψυξη). Μερικές φορές υπάρχουν σωλήνες θέρμανσης τιτανίου που τοποθετούνται για απόψυξη ή διατήρηση της θερμοκρασίας. Το τιτάνιο έχει θερμοκρασία μετάβασης από όλκιμο σε εύθραυστο κάτω από το μηδέν. Το τιτάνιο παραμένει όλκιμο έως τους -250 βαθμούς, σε αντίθεση με τον ανθρακούχο χάλυβα, ωστόσο οι εγκοπές, η υπολειπόμενη τάση ή το υδρογόνο μπορεί να προκαλέσουν εύθραυστο κάταγμα κάτω από -10 μοίρες. Το πάχος του τοιχώματος επηρεάζει την κατάσταση τάσης στο άκρο της εγκοπής και τον ρυθμό ψύξης κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλου. Η ανάλυση εκτιμά τον κίνδυνο θραύσης ευθραυστότητας χαμηλής θερμοκρασίας σε σωλήνες θέρμανσης τιτανίου που κυμαίνονται μεταξύ -20 μοιρών και 40 μοιρών και υπολογίζει το πάχος του τοιχώματος που ελαχιστοποιεί αυτόν τον κίνδυνο.

Επίδραση στη μηχανική ακεραιότητα: Μετάβαση από όλκιμο έως εύθραυστο σε τιτάνιο
Το τιτάνιο βαθμού 2 έχει μια εξαγωνική κρυσταλλική δομή στενής συσκευασίας (HCP). Τα μέταλλα HCP, σε αντίθεση με τους χάλυβες BCC, δεν παρουσιάζουν αιχμηρή θερμοκρασία μετάπτωσης από όλκιμο-έως-ευθραυστή. Το τιτάνιο εμφανίζει ενέργεια κρούσης Charpy πάνω από 50 J έως -50 μοίρες . Ωστόσο, η αντοχή στη θραύση πέφτει σε θερμοκρασίες υπό{12}}υπό το μηδέν, ενώ υπάρχει μια αιχμηρή εγκοπή (π.χ. δάκτυλο συγκόλλησης, γρατσουνιά ή σημείο τρυπήματος). Η αντοχή σε θραύση επιπέδου-παραμόρφωσης K_IC του τιτανίου βαθμού 2 στους 20 βαθμούς είναι περίπου 100 MPa√m και στους -20 βαθμούς μειώνεται στα 70-80 MPa√m. Εάν έχετε μια εγκοπή σε συνδυασμό με την υπολειπόμενη τάση εφελκυσμού (από κάμψη ή συγκόλληση) μπορεί να έχετε εύθραυστο κάταγμα. Ακόμα αρκετά σκληρός.

Το πάχος του τοιχώματος επηρεάζει την τριαξονικότητα της τάσης σε μια εγκοπή. Όσο μεγαλύτερο είναι το πάχος, τόσο ισχυρότερος είναι ο περιορισμός, δηλαδή η τριαξονικότητα της κατάστασης τάσης (κοντά στην επίπεδη παραμόρφωση) είναι μεγαλύτερη, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της φαινομενικής αντοχής στη θραύση. Παρατηρήθηκε ότι ένα τοίχωμα 2,0 mm έχει υψηλότερο περιορισμό από ένα τοίχωμα 1,0 mm και επομένως είναι πιο επιρρεπές σε εύθραυστο κάταγμα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Οι υπολογισμοί που βασίζονται στη μηχανική θραύσης δείχνουν ότι το κρίσιμο μέγεθος σφάλματος για εύθραυστο κάταγμα στους -20 βαθμούς για τοίχο 1,0 mm είναι περίπου 2 mm. Για τοίχο 2,0 mm είναι 1,5 mm. Το παχύτερο τοίχωμα είναι πιο επιρρεπές σε μικρές βλάβες.

Επίδραση στη θερμική απόδοση: Ρυθμός ψύξης και θερμική καταπόνηση
Κατά τη μετάβαση από τις 40 μοίρες στις −20 μοίρες, η θήκη τιτανίου και τα εσωτερικά εξαρτήματα (MgO, σύρμα αντίστασης) συμπιέζονται με διαφορετικούς ρυθμούς, δημιουργώντας θερμική καταπόνηση. Θερμική καταπόνηση $\\sigma_{θερμική}=E*\\alpha*\\Delta T=105 GPa * 8,6e-6 * 60=54 MPa, πολύ κάτω από την απόδοση. Αλλά στη λειτουργία ψυχρού κύκλου του θερμαντήρα, η πρόσθετη ηλεκτρική θέρμανση οδηγεί στο σχηματισμό μιας διαβάθμισης θερμοκρασίας στον τοίχο. Το παχύτερο τοίχωμα (2,0 mm) δείχνει μεγαλύτερη κλίση (ΔT_cond=2.5 μοίρες σε 2,0 W/cm²) από το λεπτότερο τοίχωμα (1,2 μοίρες). Η κλίση εισάγει επίσης τάση κάμψης στην εσωτερική επιφάνεια.

Trade-off synthesis: πάχος τοιχώματος και κίνδυνος θραύσης σε χαμηλή-θερμοκρασία
Πάχος τοιχώματος (mm) Ανθεκτικότητα σε θραύση KIC σε -20 μοίρες (MPa√m)Κρίσιμο μέγεθος ελαττώματος για θραύση (mm) Υπολειπόμενη τάση λόγω των κινδύνων θραύσης σε κάμψη (MPa) σε χαμηλή θερμοκρασία
0,8 mm 80 (κυρίαρχη τάση επιπέδου) 2,5 mm 50 MPa Χαμηλή 1,0 mm 78 (μικτή λειτουργία) 2,2 mm 55 MPa Χαμηλή 1,2 mm 75 (μικτή λειτουργία) 1,9 mm 60 MPa Χαμηλή-Μέτρια
1,5 mm 72 (προσεγγίζοντας επίπεδο καταπόνηση) 1,6 mm 65 MPa Μέτρια 2,0 mm 68 (επίπεδη τάση) 1,3 mm 75 MPa Μέτρια-Υψηλή
Οι παχύτεροι τοίχοι είναι λιγότερο ανθεκτικοί σε ρωγμές- (μεγαλύτεροι περιορισμοί) και έχουν μικρότερα κρίσιμα μεγέθη σφαλμάτων, επομένως είναι πιο επιρρεπείς σε εύθραυστα κατάγματα από μικρά ελαττώματα.

Μηχανική πέρα ​​από τον τοίχο: κράματα και έλεγχος ελαττωμάτων
Δεδομένου ότι ο κίνδυνος κατάγματος οφείλεται στο μέγεθος και τον περιορισμό του ελαττώματος, η μείωση των βλαβών είναι πιο αποτελεσματική από την αλλαγή του πάχους του τοιχώματος. Η ηλεκτροστίλβωση της επιφάνειας τιτανίου (Ra Λιγότερο ή ίσο με 0,2 μm) εξαλείφει τις αιχμηρές εγκοπές και μειώνει τη συγκέντρωση τάσεων. Οι πιο τυπικές περιοχές για την έναρξη της θραύσης εξαλείφονται διασφαλίζοντας ότι οι συγκολλήσεις είναι λείες (χωρίς υποκοπή). Η αύξηση του τιτανίου σε βαθμό 1 (λιγότερο σίδηρο και οξυγόνο, περισσότερη ολκιμότητα) βελτιώνει την ανθεκτικότητα σε χαμηλή θερμοκρασία. Ο βαθμός 1 έχει K_IC 90–100 MPa√m στους -20 βαθμούς, επομένως είναι βασικά ανοσία σε εύθραυστο κάταγμα ακόμη και σε πάχος τοιχώματος 2,0 mm. Για σέρβις σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, προτιμάται ο βαθμός 1.

Συμπέρασμα: Λεπτό τοίχωμα (1,0 – 1,2 mm) ευνοϊκό για Sub-Μηδενική υπηρεσία άλμης
Ο κίνδυνος ευθραυστότητας και θραύσης σε χαμηλή-θερμοκρασία για σωλήνα θέρμανσης τιτανίου σε άλμη 20% CaCl2 με κύκλο -20 μοιρών και 40 μοιρών είναι υψηλότερος όταν το πάχος του τοιχώματος είναι λεπτότερο (1,0–1,2 mm) παρά όταν είναι παχύτερο (1,8–2,0 mm). Τα παχύτερα τοιχώματα έχουν υψηλότερη τριαξονική τάση (περιορισμός) που μειώνει την εμφανή αντοχή στη θραύση και μειώνει το κρίσιμο μέγεθος σφάλματος για εύθραυστο κάταγμα. Στους -20 βαθμούς ένας τοίχος 2,0 mm μπορεί να σπάσει από σφάλμα 1,3 mm, ενώ ένας τοίχος 1,0 mm μπορεί να αντέξει σε ελάττωμα 2,2 mm. Η συνιστώμενη προδιαγραφή είναι πάχος τοιχώματος τιτανίου βαθμού 1 ή βαθμού 2 1,0-1,2 mm, φινίρισμα επιφάνειας με ηλεκτροστίλβωση και λείες συγκολλήσεις εδάφους. Οι παχύτεροι τοίχοι (μεγαλύτερο ή ίσο με 1,5 mm) θα πρέπει να αποφεύγονται εκτός από την αναβάθμιση σε τιτάνιο Βαθμού 1. Παρέχετε στον κατασκευαστή την ελάχιστη θερμοκρασία σέρβις και το αναμενόμενο μέγεθος σφάλματος (π.χ. γρατσουνιές, υποκοπή συγκόλλησης). Το λεπτότερο είναι καλύτερο για αντοχή σε θραύση σε σέρβις ψύκτη άλμης με κύκλους κάτω του μηδενός.