티타늄 외피 히터 장착 방법(플랜지형 대 나사형 니플)은 20도에서 180도로 열 사이클링이 적용될 때 콜드 핀 접합의 응력 분포를 어떻게 변경합니까?

높은-열-주기 서비스를 위한 히터 장착의 기본 절충안
티타늄으로 둘러싸인 히터는 플랜지 연결(해당 플랜지에 볼트로 고정) 또는 나사형 니플(용접 커플링에 나사로 고정)을 사용하여 탱크 벽을 통해 설치되는 경우가 많습니다. 내부 저항 와이어가 외부 전기 리드에 연결되는 콜드 핀 접합은 주변 온도(20도)에서 프로세스 온도(180도)까지 사이클링하는 동안 가장 큰 열 응력을 경험합니다. 외장이 장착되는 방식은 탱크의 고정 벽에 대해 외장이 팽창하고 수축하는 방식에 영향을 미치며, 따라서 이 중요한 지점에서 응력이 분산되는 방식에 직접적인 영향을 미칩니다. 플랜지형 마운트는 방사형 및 축방향 컴플라이언스를 제공하지만 나사형 니플은 외장을 견고하게 구속합니다. 벽 두께는 장착 방법과 상호 작용합니다. 벽이 두꺼울수록 축 강성이 향상되고 콜드 핀 연결에 더 큰 열 변형이 전달됩니다. 이 분석은 플랜지 장착과 나사 장착에 대한 응력 분포를 비교하고 고온 사이클 응용 분야에 대한 선택 제안을 제공합니다.

기계적 완전성에 미치는 영향: 콜드 핀 접합 응력
길이가 500mm인 티타늄 히터의 경우, 20도에서 180도까지 가열할 때 축방향 팽창은 ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm입니다. 덮개는 나사산이 있는 니플 마운트에 단단히 고정되어 있습니다. 이러한 제한된 팽창은 σ_axis=E × × ΔT=105 GPa × 8.6e-6 × 160=144 MPa의 축 압축 응력을 생성합니다. 이 장력은 피복이 가열된 상태에서 가열되지 않은 상태로 바뀌는 콜드 핀 접합으로 즉시 전달됩니다. 1.0mm 벽의 경우 이 응력은 항복강도 275MPa보다 낮으므로 탄성 거동을 나타냅니다. 그러나 빈번한 라이딩은 관절에 피로를 유발합니다. 1.8mm 벽의 경우 축 응력은 144MPa(강성 구속조건에 대한 벽 두께와 무관)이지만 접합부의 굽힘 강성이 더 높으므로 약간의 정렬 불량을 보상하는 능력이 떨어집니다. 유한 요소 분석에 따르면 콜드 핀 접합의 응력 집중 계수는 1.0mm 벽의 경우 2.5에서 1.8mm 벽의 경우 3.2로 증가하며 해당 국지적 피크 응력은 360MPa 및 460MPa입니다. 1.8mm 벽은 국부 항복 강도를 초과하여 사이클마다 소성 변형이 발생하고 빠른 피로 파괴가 발생합니다.

히터는 견고하게 고정되어 있지는 않지만 개스킷을 사용하여 플랜지 마운트에 고정되어 있습니다. 플랜지는 덮개가 팽창하면서 개스킷을 통해 약간 미끄러지는 것을 허용합니다. 개스킷의 마찰력(전체 단면 계수 아님)은 팽창을 방지하고 축 응력을 5~10~15~30MPa만큼 감소시킵니다. 콜드 핀 접합의 응력은 50MPa 미만이며, 이는 1.0mm 및 1.8mm 벽 모두에 대한 탄성 한계 내에 있습니다. 플랜지 마운트는 기본적으로 콜드 핀 접합에서 열 팽창을 분리합니다.

열 성능에 미치는 영향: 열 손실 및 개스킷 손상
장착 방법도 콜드 핀의 열 전달에 영향을 미칩니다. 나사산 니플에서 금속-대-금속 접촉은 덮개에서 탱크 벽까지 우수한 열 전도를 제공하여 콜드 핀 접합을 냉각하고 전기 밀봉을 유지합니다. 그러나 이러한 냉각은 열 손실을 의미하기도 하며, 이는 시스템 효율을 2~5% 감소시킵니다. 플랜지 마운트에서 개스킷(일반적으로 PTFE 또는 압축 섬유)은 절연체이므로 열 손실을 1% 미만으로 줄이지만 콜드 핀 접합이 더 뜨겁게 작동할 수 있습니다. 180도에서 작동하려면 플랜지 마운트의 콜드 핀이 120~140도일 수 있으며 고온 리드 와이어와 실리콘 또는 유리 섬유 절연이 필요합니다. 벽 두께는 이러한 열 차이에 큰 영향을 미치지 않습니다.

장착 방법 선택 방법: 절충안 종합-
장착 유형 벽 두께 콜드 핀의 최대 응력(20~180도 주기) 권장 용도 열 손실 피로 수명(고장 주기)
나사형 니플 1.0mm 360MPa(국소화) 5,000~10,000주기 3~5% 저-주기 응용 분야(< 5,000 cycles) with thin wall.
나사형 니플 1.8mm 460MPa(국소화) 1,000 – 2,000 주기 3 – 5% 권장되지 않음 - 주기당 소성 변형
PTFE 플랜지 개스킷Any(1.0-1.8mm) < 50 MPa > 100,000 사이클 < 1% 높은-사이클 또는 고온 응용 분야에 선호됩니다.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200도) PTFE가 분해되는 곳입니다.
마운트 너머의 엔지니어링 확장 루프 및 유연한 연결
응용 분야에 나사산 장착(예: 기존 커플링에 개조)이 필요한 경우 히터 튜브에는 가열된 부분과 콜드 핀 접합 사이에 확장 루프(180도 굽힘)가 포함되어 열 팽창을 기계적으로 흡수하고 벽 두께와 관계없이 콜드 핀의 응력을 줄입니다. 반경 50mm의 90도 곡선은 전달되는 축방향 하중을 70%까지 감소시킵니다. 또는 히터와 전기 인클로저 사이에 유연한 금속 호스 연결을 사용하여 열팽창력으로부터 콜드 핀을 절연합니다.

결론: 높은 열주기 서비스에는 플랜지 마운트가 선호됩니다.
We demonstrate that a flanged mount with a compliant gasket reduces the tension at the cold pin junction of a titanium encased heater with thermal cycling from 20$^\circ$C to 180$^\circ$C as compared to a threaded nipple. The rigid restriction in the threaded mount induces an axial compressive stress of 144 MPa, which combined with stress concentration factors of 2.5-3.2 leads to localized yielding at the cold pin for thick walls (>=1.5mm). 나사형 1.8mm 벽의 피로 수명은 1,000~2,000사이클에 불과합니다. 플랜지 마운팅이 있는 외장은 개스킷을 통해 미끄러지며 최대 응력은 벽 두께에 관계없이 50MPa 미만으로 유지되어 100,000사이클을 초과합니다. 나사산 설치가 불가피한 경우 얇은 벽(1.0mm 이하)과 확장 루프를 사용하십시오. 열 사이클링에서 높은 내구성이 요구되는 신규 설치의 경우 선택 사양은 PTFE 개스킷이 있는 플랜지 마운트입니다. 벽 두께는 장착으로 인한 응력이 아닌 부식 및 압력 요구 사항을 기준으로 설정됩니다.