적층 제조된 이중 스테인리스 스틸 튜브는 어떻게 최적화된 벽 두께 프로파일을 달성합니까?

최악의-응력 지점에 따라 열 교환기 튜브는 일반적으로 끝에서 끝까지 동일한 벽 두께로 그려집니다. 이러한 제한은 적층 제조를 통해 제거됩니다. 이를 통해 응력이 집중되는 튜브 시트에 가까운 벽이 더 두꺼운 이중 스테인리스 스틸 튜브와 압력 억제만 중요한 중앙의 아주{2}}얇은 벽으로 열 성능을 모두 짜낼 수 있는 이중 스테인리스 스틸 튜브를 인쇄할 수 있습니다. 해양 플랫폼, 화학 플랜트 및 항공우주 응용 분야를 위한 소형 고효율 열교환기의 설계는 튜브 길이 전반에 걸쳐 벽 두께를 조정할 수 있는 기능으로 인해 변화하고 있습니다.

기존의 한계: 전체 벽 두께가 일정함
전통적인 이중 스테인리스 스틸 튜브(예: 2205 및 2507)는 압연, 인발 또는 압출을 통해 만들어집니다. 이러한 절차를 통해 벽 전체의 두께가 동일한 튜브가 만들어집니다. 최대 응력 위치(일반적으로 튜브 끝, 튜브가 튜브 시트에 말리거나 용접되는 위치 또는 굽힘 응력이 가장 강한 위치)-는 벽 두께를 결정하는 데 사용됩니다. 따라서 튜브의 중앙 부분은 순수한 압력 억제를 위해 과도하게 설계되었습니다.- 과도한 금속으로 인해 무게, 비용 및 열 저항이 모두 증가합니다. 균일한 두께의 튜브는 튜브 벽을 통한 열 전달이 두께(주어진 재료 및 유체 조건에 대해)와 반비례하기 때문에 효율성을 감소시킵니다.

가변 벽 두께 프로파일: 적층 제조 솔루션
레이저 분말층 융합(LPBF)은 적층 가공에 사용되어 이중 스테인리스 스틸 튜브에 대한 최적의 디자인을 만듭니다. 층별로 듀플렉스 스테인리스강(예: UNS S31803 또는 S32750)의 미세한 분말이 고출력 레이저에 의해 선택적으로 녹습니다.- 이 절차는 튜브의 내부 직경, 외부 직경 및 축 변형을 지정하는 3차원-컴퓨터 지원 설계(CAD) 모델을 기반으로 합니다. 기존 기술과 달리 벽 두께는 지속적으로 변경될 수 있습니다.

일반적인 최적화 기술은 다음과 같이 구성됩니다.

두꺼운 끝 부분: 튜브 시트와 접촉하는 각 끝 부분 근처의 처음 50~100mm 부분에 더 많은 금속 층을 적용하여 벽 두께를 늘립니다. 롤링, 팽창, 진동 및 굽힘 모멘트로 인한 높은 국부 응력은 이 강화 구역에 의해 관리됩니다.

더 얇은 중앙부: 압력 설계 코드(예: ASME 섹션 VIII, 디비전 1 또는 2)를 준수하는 데 필요한 최소 두께가 내부 압력으로 인한 후프 응력만 받는 중앙 영역에 인쇄되어 있습니다. 동일한 재질과 압력 등급을 지닌 기존의 인발 튜브에 비해 이 중간 부분은 때때로 30~50% 더 얇습니다.

점진적 전환: 빠른 단계에서 응력 집중을 방지하기 위해 벽 두께의 변화는 짧은 거리(예: 20~30mm)에 걸쳐 점점 가늘어집니다.

최종 제품은 기능적으로 등급이 매겨진 구성 요소로, 기계적 무결성을 향상시키는 부분에는 금속을 조심스럽게 배치하고 무게와 열 저항만 추가하는 부분은 금속을 제거했습니다.

향상된 열 전달 및 감소된 질량
가변-벽 접근 방식에는 두 가지 측정 가능한 이점이 있습니다.

향상된 총 열 전달 계수(U): 튜브 벽이 얇아져 동일한 내부 및 외부 유체 조건에서 전도성 저항이 낮아집니다. 듀플렉스 스테인리스강의 열전도율은 대략 15~17W/m·K입니다. 벽 두께가 2.0mm에서 1.2mm로 감소하면(40% 감소) 전도성 열 저항이 약 40% 감소하여 전체 U-값이 눈에 띄게 증가합니다(필름 계수에 따라 일반적으로 10~15%).

무게 감소: 긴 튜브의 얇은{0}벽 중앙(예: 6m)이 길이의 대부분을 차지합니다. 동일한 최종 하중을 위해 제작된 균일한 두께의 기존 방식으로 인발된 튜브는 적층 방식으로 제작된 튜브보다 전체적으로 무게가 25~40% 더 클 수 있습니다. 킬로그램 하나하나가 중요한 해양 플랫폼 및 항공우주 응용 분야의 경우 수백 개의 튜브가 포함된 열교환기 번들의 누적 중량 절감 효과는 상당합니다.

듀플렉스에 대한 적층 가공의 야금학적 이점
이중 스테인리스강의 LPBF에 의해 생성된 미세 구조는 단조 재료의 미세 구조와 크게 다릅니다. 흔히 마이크로미터 또는 서브마이크로미터 범위의 입자 크기를 갖는 오스테나이트와 페라이트의 매우 미세하고 균일한 조합은 매우 빠른 응고(최대 10도/s의 냉각 속도)에 의해 생성됩니다. 이 절묘한 구조는 다음을 제공할 수 있습니다.

더 높은 항복 강도(일반적으로 -인쇄된 상태의 가공 제품보다 20~30% 더 높음)

적절한 열처리로 충격에 강합니다.

합금 원소 분리를 최소화하여 인쇄 중 금속간 상이 발생할 가능성을 낮춥니다.

그러나 대부분의 적층 방식으로 제작된 이중 구성 요소는 최상의 상 균형과 내식성을 얻기 위해 사후 공정 솔루션 어닐링 및 담금질이 필요합니다. 일반적인 열처리 주기는 다음과 같습니다.

등급에 따라 1050~1100도까지 가열합니다.

짧은 시간 동안 유지합니다(예: 단면 두께 25mm당 30분).

시그마 상 및 기타 금속간 화합물의 석출을 방지하려면 물이나 가스로 신속하게 담금질하십시오.

적층 방식으로 생산된 듀플렉스 스테인리스강은 적절한 열처리 후 단조 제품의 공식 저항(수퍼 듀플렉스의 경우 PREN > 40)과 일치하거나 이를 능가합니다.

표면 마감이 성능에 미치는 영향
이 거칠기에는 두 가지 상충되는 효과가 있습니다.