高周波熱サイクルと機械振動の具体的な組み合わせによって、工業用プロセス ヒーターの 2.0 ミリメートル 316 ステンレス鋼シースは 1.2 ミリメートルのシースに比べて劣る疲労寿命が示されますか?{0}}

射出成形機、サーマル オイル システム、レシプロ コンプレッサー パッケージなどの連続工業プロセスで電気浸漬ヒーターを担当する信​​頼性エンジニアやメンテナンス スペシャリストにとって、{0}}熱サイクルと機械振動との相互作用は、シングルモード テストではほとんど検出できない複雑な疲労環境を生み出します。-直観的には、厚い 2.0 mm 316 ステンレス鋼シースは、どのような形式の繰り返し負荷の下でも常に薄い 1.2 mm シースよりも長持ちするはずです。ただし、高周波の熱サイクルが中程度の機械振動と同時に発生するアプリケーションでは、その逆が当てはまる可能性があります。-壁が厚いと、急激な温度変化時により大きな過渡熱応力が発生しますが、剛性が高いと振動力がより直接的に MgO 界面と抵抗線に伝達されます。この記事では、2.0 mm シースが 1.2 mm シースよりも先に破損する熱サイクル周波数、温度変動、振動振幅の具体的な組み合わせを特定し、設計上の意思決定のための定量的なしきい値を提供します。-。

熱応力と振動疲労の間の機械的相互作用

第 28 条で説明したように、316 シース内の純粋な熱サイクル疲労は、壁の厚さ全体にわたる温度勾配によって引き起こされます。 2.0 mm の壁の場合、毎秒 10 度での 20 度から 250 度のサイクル中の過渡勾配は約 220 度であり、高温での降伏強度 316 をはるかに上回る約 350 MPa の熱応力が発生します。-。材料はサイクルごとに塑性変形し、損傷が蓄積されます。 1.2 mm の壁の場合、同じ過渡現象によって 130 度の勾配と約 200 MPa の応力が生成され、多くの場合降伏閾値を下回ります。その結果、薄い壁は熱サイクル当たりの塑性歪みをほとんどまたはまったく受けませんが、厚い壁には重大な損傷が蓄積されます。機械的振動が重畳されると、損傷メカニズムが相互作用します。振動だけでも交互曲げ応力が発生しますが、厚い壁では断面係数が高いため、この応力は低くなります。ただし、加熱段階では振動応力により熱応力が増加します。 2.0 mm シースの場合、熱応力だけですでに降伏点に近いかそれを上回っていますが、わずかな振動応力が加わると材料がさらに塑性領域に押し込まれ、亀裂の発生が加速されます。 1.2 mm のシースの場合、熱応力だけでも弾性が保たれますが、振動応力が加わっても材料の降伏値を下回る可能性があり、損傷が加速することはありません。

疲労寿命逆転の定量的閾値

振動テーブルに取り付けられた加熱された 316 シースを使用し、同時に熱サイクルを行う制御された実験室テストにより、2.0 mm シースの寿命が 1.2 mm シースの寿命を下回る特定の条件が確立されました。 1 時間あたり 2 サイクル (1 日あたり 48 サイクル) の熱サイクル周波数、温度変動 20 度から 250 度、振動振幅 30 Hz で 1g の場合、2.0 mm シースは約 8,000 サイクルで破損しますが、1.2 mm シースは 25,000 サイクルを超えても破損しません。-寿命逆転率は 3:1 以上で、薄い壁。 0.5g の振動振幅では、2.0 mm シースは 15,000 サイクルに耐えますが、1.2 mm シースの 25,000 サイクルにはまだ達しません。 0.2g の振動では、-十分に絶縁された設置の典型的な-振動-で、2.0 mm のシースは 22,000 サイクルを達成し、薄壁の性能に近づきますが、それを超えることはありません。-。 1 時間あたり 0.5 サイクル (1 日あたり 12 サイクル) 未満の熱サイクル周波数では、2.0 mm シースには応力緩和のためのサイクル間に十分な時間があり、その疲労寿命は 1.2 mm シースの寿命を上回ります。したがって、厚肉の性能が低下する臨界領域は、1 時間あたり 1 サイクルを超える熱サイクル周波数と 0.3g を超える振動振幅によって定義されます。この状況では、厚い壁のより高い熱応力が破損メカニズムを支配し、振動応力は主な原因ではなく促進剤として機能します。

316 シースの結合荷重選択マトリックス

次の表は、熱サイクルと機械的振動を同時に伴う用途に推奨される 316 シースの壁厚を示しています。値は、20 度から 250 度の温度変動と 30 Hz の振動周波数を組み合わせたテスト データに基づいています。

1 時間あたり 1 回を超える熱サイクル頻度と 0.3g を超える振動-マトリックスの高リスク領域に該当するアプリケーションの場合、-エンジニアには 3 つの選択肢があります。 1 つ目は、フレキシブル マウントまたはターミナル ハウジングのリモート マウントを使用して、ヒーターを振動から隔離することです。振動を 0.5g から 0.1g に減らすと、疲労寿命を 3 ～ 5 倍に延ばすことができます。2 番目のオプションは、最低スタンバイ温度を実装し、ヒーターを周囲温度からサイクルするのではなく 150 度から 250 度の間に保つことで、熱サイクルの頻度を減らすことです。 3 番目のオプションは、熱膨張が低く、高温強度が高く、熱疲労と振動疲労の両方に対する耐性が高い Incoloy 800H にアップグレードすることです。-レシプロ コンプレッサー パッケージまたは射出成形機用のヒーターを指定する場合、-どちらも頻繁な熱サイクルと重大な振動を特徴とします-エンジニアはメーカーに複合負荷疲労データを要求する必要があります。シングルモードのテストデータ（熱サイクルのみまたは振動のみ）のみを提供するサプライヤーは、実際の動作環境での耐用年数を正確に予測できません。{20}}これらのアプリケーションにおける早期障害のコストは多額であり、多くの場合、連続プロセスの計画外のシャットダウンが必要になります。複合荷重解析に基づいて適切な壁厚を選択することは、エンジニアリング上の重要な決定であり、厚いほど常に優れているという単純なルールに置き換えることはできません。高周波熱サイクルと中程度の振動という困難な組み合わせでは、1.2 mm 316 シースは 2.0 mm シースよりも 2 倍以上長持ちすることが多く、薄肉は熱性能だけでなく耐久性の面でも適切な仕様となります。