대형 화학 스크러버에서 유동-유도 진동을 받을 때 티타늄 발열체 장착 플랜지의 필렛 용접 반경이 덮개의 피로 수명에 어떤 영향을 미치나요?

고진동 스크러버를 위한 필렛 용접 설계의-기본 절충안-
티타늄 가열 요소는 플랜지 연결을 통해 대형 화학 세정기의 용기 벽을 통해 배치됩니다. 흐름에 의한 진동으로 인해 가장 크게 변형되는 부분은 티타늄 외피와 장착 플랜지 사이의 필렛 용접입니다. 스크러버 가스 흐름(5~15m/s)은 캔틸레버식 히터 번들을 흔드는 와류 발산 및 난류를 유발합니다. 교번 굽힘 응력은 용접 토우에 집중됩니다. 응력 집중 계수(SCF)는 필렛 용접의 반경-용접 면과 튜브 표면 사이의 오목한 전이에 의해 제어됩니다. 날카로운 용접 토우(짧은 반경,<0.5 mm) produces a SCF of 3–5, i.e. the local stress is 3–5 times the nominal bending stress. Large fillet radii (>2 mm) SCF는 1.5-2.0으로 이어집니다. 벽 두께는 굽힘 강성과 공칭 응력에 영향을 미치지만 피로 수명에 가장 중요한 변수는 용접 반경입니다. 본 연구에서는 일반적인 스크러버 진동 상황에서 필렛 용접 반경이 피로 수명에 미치는 영향을 평가하고 설계 제안을 제공합니다.

용접 토우의 기계적 무결성 응력 집중에 미치는 영향
(유동-유도 진동으로 인한) 횡력 F가 있는 길이 L의 캔틸레버 히터의 경우 고정 끝(용접 지점)의 공칭 굽힘 응력은 다음과 같이 지정됩니다. σ_nom=(F × L) / (π × D² × t / 4) 용접 발가락의 국부 응력은 σ_local=K_t × σ_nom으로 지정됩니다. 여기서 K_t는 응력 집중 계수입니다. 토우 반경 r과 튜브 벽 두께 t를 갖는 필렛 용접의 경우 K t ~ 1 + 2 * (t/r)^0.5입니다. 날카로운 용접의 경우 (r=0.3 mm, t=1.5 mm), Kt=1 + 2 x (1.5/0.3)^0.5=1 + 2 x 2.24=5.5. 큰 필렛의 경우 (r=2.5 mm, t=1.5 mm) Kt=1 + 2 x (1.5/2.5)0.5=1 + 2 x 0.77=2.5. 큰 필렛 국부적 스트레스를 50% 이상 감소시킵니다.

피로 수명(고장까지의 주기)은 Basquin 방정식으로 제공됩니다. N f=( σ f ' σ local ) 1 b 여기서 b ≒ -0.12(티타늄의 경우). 국소 σ를 2.2배(5.5에서 2.5Kt로) 줄이면 피로 수명이 약 (2.2) (1/0.12)=(2.2) 8.3 ≒ 800배 정도 향상됩니다. 날카로운 용접 토우로 인해 한 달 안에 죽는 히터는 큰 필렛으로 800개월(66년) 동안 지속될 수 있습니다.

열 성능에 대한 용접 크기 및 열 전달의 영향
필렛 반경이 높을수록 용접 금속이 더 많아지고(목 두께 증가) 외장에서 플랜지까지 더 큰 열 전도 채널을 제공합니다. 이는 용접 영역에서 열이 좀 더 잘 분산되는 데 도움이 되며 고립된 핫스팟을 방지합니다. 열 패널티는 작습니다. 그러나 매우 큰 필렛(r > 5mm)은 묶음에 있는 인근 히터와 간섭을 일으키거나 유효 가열 길이를 낮출 수 있습니다.

절충-합성: 용접 반경과 벽 두께 상호 작용
필렛 용접 지단 반경(mm)응력 집중 계수(K_t, t=1.5mm의 경우)예상 피로 수명(예리한 용접 기준선 대비)코어 엔지니어링 최소 벽 두께 이론적 근거 < 0.5mm(-용접만큼 예리함)5.0 – 6.0 1×(기준선,<6 month life)Any (no advantage) Not appropriate for vibration service
0.5 – 1.0 mm (부드러운 분쇄)3.5 – 4.5 10 – 50× 1.5 mm 적당한 진동에 적합
1.0 – 2.0 mm (윤곽형) 2.5 – 3.5 200 – 1,000× 1.2 – 1.5 mm 대부분의 스크러버에 적합
2.0 – 3.0 mm (넓은 필렛) 2.0 – 2.5 2,000 – 10,000× 1.0 – 1.2 mm 우수, 얇은 벽 허용 3.0 mm (매우 큰 필렛)<2.0 >50,000× 1.0 mm 최적이지만 실용적이지 않음
큰 필렛 용접(r이 2mm 이상)은 피로 수명을 크게 향상시키고 더 얇은 벽(1.0~1.2mm)을 사용할 수 있게 해줍니다. 피로에 저항하려면 벽 두께보다 필렛 반경이 더 중요합니다.

용접 너머의 용접: 연삭 및-용접 후 처리
용접 시 원하는 넉넉한 필렛 반경을 얻을 수 없는 경우(위치 또는 접근으로 인해) 용접 토우를 최소 1.5mm 반경의 부드러운 윤곽으로 연마하여 동등한 피로 이점을 얻을 수 있습니다. 연삭은 미세한 연마재(120방 또는 그 이상)로 수행한 후 연마하여 연삭 흔적을 제거해야 합니다. 용접 후 TIG 처리(용가재 없이 용접 토우를 다시 녹이는-)도 부드러운 전환을 제공하여 응력 집중을 최소화합니다. 이 접근 방식은 원래 용접 형상을 사용하여 피로 수명을 5~10배 향상시킬 수 있습니다. 용접 토우의 쇼트 피닝 또는 니들 피닝은 압축 잔류 응력을 생성하여 피로 수명을 더욱 향상시킵니다.

결론: 넉넉한 필렛 반경(2mm 이상)으로 진동 서비스를 위한 얇은-벽 설계가 가능합니다.
유동-으로 인한 진동에 노출된 대형 화학 스크러버에 있는 티타늄 가열 요소의 피로 수명은 장착 플랜지의 필렛 용접 반경에 따라 크게 달라집니다. 용접 토우가 날카로운 경우(r < 0.5mm) 응력 집중 계수는 5{20}}6이고 벽 두께에 관계없이 피로 파괴는 몇 개월 내에 발생합니다. 넓은 필렛 반경(r 2mm 이상)은 응력 집중 계수를 2.0~2.5로 유도하여 피로 수명을 2,000~10,000배 향상시키고 벽을 더 얇게 만들 수 있습니다(1.0~1.2mm). 승인된 사양은 1.2mm의 티타늄 피복 벽 두께와 짝을 이루는 최소 토우 반경 2mm(연삭 또는 드레싱)의 필렛 용접입니다. 예상되는 진동 진폭과 주파수를 제조업체에 제공하여 필요한 용접 형상을 확인하십시오. 벽 두께는 2차 변수입니다. 고진동 스크러버 작업에서 피로 수명에 대한 설계 매개변수는 용접 필렛 반경입니다.