고온-온도 액체 시스템에서 벽 두께가 1.2mm 미만으로 줄어들 때 316 스테인리스강 가열 덮개의 최대 안전 내부 압력은 얼마입니까?

전기 침지형 히터를 기존 가압 용기에 장착할 때 공정 엔지니어는 일반적으로 노즐 직경이나 삽입 길이가 제한되어 있기 때문에 원래 의도했던 것보다 더 작은 직경의 보호관을 사용해야 합니다. 또는 더 빠른 열 반응을 원할 경우 더 얇은 벽을 선택할 수도 있습니다. 그러나 316 스테인리스강 외장의 벽 두께가 1.2mm 미만으로 줄어들면, 특히 재료의 항복 강도가 감소하는 고온에서 압력 억제 동작이 연성에서 파열{2}}되기 쉬운 상태로 변경됩니다. 이 문서에서는 온도 감소가 높은 Barlow 공식을 사용하여 벽이 얇은 316 보호관에 대한 정량적 최대 허용 작동 압력 한계를 제시합니다.- 이를 통해 엔지니어는 과도한 보수주의나 불필요한 위험 없이 가압 액체 시스템의 안전한 벽 두께를 지정할 수 있습니다.

얇은-벽으로 둘러싸인 316 슬리브에 대한 압력 억제의 기본
벽 두께가 거의 모든 전기 히터 외장의 경우인 내부 반경의 1/10--보다 작은 원통형 압력 용기의 경우 원주 또는 후프 응력은 Barlow 공식 σ=P × D / (2 × t)를 사용하여 계산됩니다. 여기서 σ는 후프 응력, P는 내부 압력, D는 외부 직경, t는 벽 두께입니다. HOOP STRESS는 주어진 외부 직경과 내부 압력에 대한 벽 두께와 반비례 관계에 있습니다. 벽 두께를 절반으로 줄이면 외피 재료에 가해지는 응력이 두 배로 늘어납니다. 따라서 최대 허용 작동 압력은 다른 매개변수의 고정된 값에 대해 벽 두께에 따라 직접적으로 달라집니다. 실온에서 316 스테인리스강의 항복 강도는 어닐링된 재료의 경우 약 290MPa이고 일반적으로 히터 덮개에 사용되는 냉간 인발 튜브의 경우 520MPa입니다. 냉간 압연 316에 허용되는 최대 후프 응력은 약 170 MPa이며, 코드가 지정되지 않은 비소성 압력 용기에 대한 압력 봉쇄 표준 관행에 대한 안전계수 3을 사용합니다. 안전 한계는 외부 직경과 벽 두께를 고려하여 Barlow의 압력 공식을 풀어서 구합니다.

압력 대 벽 두께 및 온도의 정량적 한계
작동 온도가 증가하면 허용 압력이 크게 감소합니다. 200도에서 냉간 인발된 316의 항복 강도는 약 380MPa로 감소하고 허용되는 후프 응력은 125MPa로 감소합니다. 300도에서의 항복 강도는 320MPa이고 허용 응력은 105MPa입니다. 316 외장의 연속 작동에 대한 최고 한계인 400도에서 항복 강도는 280MPa로 떨어지며 90MPa의 후프 응력만 허용됩니다. 다음은 OD가 10mm인 표준 316 보호관의 최대 연속 내부 압력입니다. 최대 압력은 200도에서 약 40bar이고 벽 두께는 1.6mm입니다. 동일한 온도에서 벽 두께 1.2mm에 대한 허용 압력은 30bar로 감소합니다. 그러면 안전한 압력은 벽 두께 1.0mm에서 25bar로 낮아집니다. 생산된 외장의 경우 최소 벽 두께는 0.8mm이고 안전 압력은 20bar에 불과합니다. 300도 시스템의 경우 동일한 1.0mm 외장은 약 21bar로 제한되고 400도에서는 18bar로 제한됩니다. 이 값은 정확하게 둥글고 균일한 벽 두께를 가지며 다른 굽힘이나 스웨이징 응력이 없는 튜브를 기준으로 합니다. 실제로 제조 공차가 0.1mm인 보호관에는 20%의 추가 안전 여유가 있어야 합니다.

벽이 얇은 316 외장에 대한 압력 선택 매트릭스-
다양한 벽 두께와 작동 온도에서 316 스테인리스강 가열 외장에 권장되는 최대 연속 내부 압력이 아래 표에 나와 있습니다. 값에는 냉간 압연 재료 매개변수를 기반으로 한 3:1의 안전 계수가 포함되며 일반적인 외부 직경은 10mm라고 가정합니다. 더 큰 크기의 경우 크기 비율에 비례하여 압력을 줄이십시오.

외피 벽 두께 최대 압력 @ 100도 최대 압력 @ 200도 최대 압력 @ 300도 최대 압력 @ 400도 권장 적용 사례
0.8mm 28bar 24bar 20bar 16bar 저압 온수 루프, 순환 펌프가 있는 대기 탱크
1.0mm 35bar 30bar 25bar 20bar 저압 화학 반응기, 가압 온수 시스템
1.2 mm 42 bar 36 bar 30 bar 24 bar 중압 공정 히터, 최대 200도까지의 증기 예열기
1.4 mm 49 bar 42 bar 35 bar 28 bar고압 약품 주입 히터
1.6 mm 56 bar 48 bar 40 bar 32 bar고압 오토클레이브, 과열수 시스템
작동 압력이 제공된 값의 70%를 초과하는 응용 분야에서는 엔지니어가 각 히터에 대해 정수압 테스트를 수행하거나 벽 두께의 균일성이 입증된 이음매 없는 튜브를 선택하는 것이 좋습니다. 압력이 예측 한계에 가까워질수록 국지적인 얇은 부분에서 폭발이 일어날 확률은 상당히 높아집니다. 50bar를 초과하는 벽 두께는 단독으로 의존하지 않고 더 작은 직경의 보호관이나 Incoloy 800H와 같이 강도가 더 높은 합금으로 전환됩니다.