Thermische vermoeiing in pijpenwarmtewisselaars
Tijdens bedrijf bestaan de mechanische belastingen op onderdelen veelal uit een combinatie van statische en wisselende componenten. Wisselende (trek)spanningen kunnen resulteren in een zeer plaatselijke plastische vervorming, waardoor er kans op vermoeiingsschade ontstaat.
De vermoeiingseigenschappen van metalen, en haar verbindingen worden, voorzover deze bekend zijn, in het algemeen weergegeven middels zogenaamde S-N-curves, waarbij S staat voor de maximumspanning en N voor het aantal belastingscycli voor breuk. Het effect van de temperatuur op de vermoeiingssteekte is
duidelijk: de vermoeiingssteekte neemt af met toenemende temperatuur. Deze invloed is echter sterk afhankelijk van het materiaaltype. Ook wordt het vermoeiingsgedrag sterk negatief beïnvloed als er van een combinatie van kruip en vermoeiing sprake is. Dat mechanische trillingen niet de enige bron van wisselende belastingen zijn, wordt duidelijk als temperatuurgradiënten in ogenschouw worden genomen. Indien temperatuurgradiënten namelijk ook een wisselend karakter hebben leiden deze tot wisselende mechanische spanningen, namelijk de wisselende thermische spanningen, die uiteindelijk ook de oorzaak kunnen vormen voor falen van componenten. Er wordt dan gesproken van thermische vermoeiing. In vele gevallen, waarbij de bedrijfsteroperatuur in het kruipgebied voor het materiaal ligt, worden de thermische spanningen gesuperponeerd op kruip, hetgeen de verwachte levensduur van een installatie sterk kan reduceren.
Thermische vermoeiing in pijp/pijpplaatlassen
Pijpenwarmtewisselaars zijn globaal opgebouwd uit pijpplaten, pijpen en een cilindervormige wand. De wisselaars zijn onder te verdelen in verschillende typen: die met de pijpen vast tussen twee pijpplaten (rechte pijpen) en die met de pijpen aan beide einden vast in een pijpplaat (pijpen in een U-bocht). Tijdens bedrijf bevindt zich om de pijpen een ander medium dan in de pijpen. Die beide media zullen ook een, veelal sterk, verschillende temperatuur hebben. Daardoor zullen ook de wand en de pijpplaten een andere temperatuur hebben dan de pijpen en ook over de pijpwand zal een temperatuurgradiënt bestaan. Dit alles resulteert in verschillen in thermische uitzetting en daardoor in thermische spanningen in de pijpen, de pijpplaten, de pijp/pijpplaatverbindingen en de wand. Deze spanningen zullen groter zijn naarmate o.a. de betreffende materialen dikker zijn, de constructie stijver is en de temperatuurgradiënten groter zijn. Thermische vermoeiing treedt soms al op na een relatief gering aantal wisselingen(low cycle fatigue); in andere gevallen pas na een (zeer) groot aantal wisselingen (high cycle fatigue). Low cycle fatigue gaat normaliter samen met grote verschillen in thermische uitzetting tussen de verschillende onderdelen, of grote temperatuurverschillen, resulterend in plaatselijke grote plastische rekken. High cycle fatigue kan optreden als deze verschillen kleiner zijn. Scheuren veroorzaakt door thermische vermoeiing lijken in veel gevallen op scheuren als gevolg yan corrosie-vermoeiing of spanningscorrosie. Beide laatste scheuren kunnen worden beperkt of voorkomen door gebruikmaking van inhibitoren, coatings of galvanische protectie. Thermische vermoeiing kan echter alleen worden voorkomen door het overmatige rekken als gevolg van de thermische cycli uit te sluiten. In het algemeen blijkt dat thermische vermoeiing, onder vergelijkbare thermische omstandigheden, eerder optreedt bij producten van austenitisch roestvast staal dan bij ferritische stalen.
Een van de pijpen met een lineaire pen~trant aantekening ter plaatse van een scheur.
Een doorsnede van een van de intacte pijp/pijpplaatlassen uit de warmtewisselaar.
Een voorbeeld
Van een niet nader te specificeren warmtewisselaar waren zowel de 200 rechte pijpen als de beide pijpplaten van roestvast staal van het type AISI 316L. Tijdens het intermitterend bedrijf werd om de pijpen gas met een maximumtemperatuur van 900°C geleid, dat het water in de pijpen moest verwarmen. Na enige maanden in bedrijf te zijn geweest bleken diverse van de handmatig TIG-gelaste pijp/pijpplaatlassen gescheurd te zijn. We hebben dit onderzoek uitgevoerd naar de aard en de oorzaak van de scheurvorming. Zonder verder op overige details in te gaan op basis waarvan hier geconcludeerd is dat er sprake is van thermische vermoeiing, bleek duidelijk dat een aantal van bovengenoemde kenmerken van thermische vermoeiing ook hier zijn aangetroffen. De gescheurde lassen bevonden zich allemaal in de buitenste rijen van de pijpplaat, d.w.z. bij de relatief stijve overgang van wand en pijpplaat. Op de opengebroken scheuroppervlakken zijn half ellipsvormige scheurgroeilijnen aangetroffen, die het voortschrijdende scheurfront kunnen aanduiden vooi zowel vermoeiing, als voor thermische vermoeiing en corrosievermoeiing.