Siltummaiņa cauruli tradicionāli velk ar vienādu sieniņu biezumu no gala līdz galam, ko nosaka sliktākā gadījuma sprieguma punkts. Ražošana ar piedevām šo ierobežojumu izceļ: duplekso nerūsējošā tērauda cauruli tagad var apdrukāt ar biezāku sienu pie caurules loksnes, kur koncentrējas spriedzes, un ar žileti plānu sienu vidū, kur svarīga ir tikai spiediena ierobežošana, izspiežot katru pēdējo termiskās veiktspējas pilienu. Šī spēja mainīt sienas biezumu visā caurules garumā pārveido to, cik kompakti, augstas efektivitātes siltummaiņi ir paredzēti platformām, ķīmiskajām rūpnīcām un kosmosa lietojumiem.
Parastais ierobežojums: vienmērīgs sienas biezums visur
Parastās dupleksās nerūsējošā tērauda caurules (piemēram, 2205, 2507) tiek ražotas ar ekstrūzijas, vilkšanas vai velmēšanas palīdzību. Šie procesi ražo caurules ar anemainīgs sienas biezumsvisā garumā. Sienas biezums tiek izvēlēts, pamatojoties uz vislielāko spriegumu vietu,{1}}parasti caurules galiem, kur caurule tiek velmēta vai metināta caurules loksnē vai kur lieces spriegumi ir vislielākie. Rezultātā caurules vidusdaļa ir pārāk izstrādāta tīram spiediena ierobežošanai. Pārmērīgs metāls palielina svaru, izmaksas un siltuma pretestību. Tā kā siltuma pārnese cauri caurules sienai ir apgriezti proporcionāla biezumam (konkrētiem materiāla un šķidruma apstākļiem), vienmērīgi bieza caurule apdraud efektivitāti.
Piedevu ražošanas risinājums: mainīga sienas biezuma profili
Piedevu ražošanai optimizēta dupleksā nerūsējošā tērauda cauruledizaini tiek ražoti, izmantojotlāzera pulvera slāņa saplūšana (LPBF). Lieljaudas lāzers selektīvi izkausē smalku dupleksa nerūsējošā tērauda pulveri (piemēram, UNS S31803 vai S32750) slāni pa slānim. Process notiek pēc trīsdimensiju CAD modeļa, kas nosaka caurules ārējo diametru, iekšējo diametru un variācijas gar asi. Atšķirībā no parastajām metodēm, sienas biezumu var nepārtraukti mainīt.
Tipiskās optimizācijas stratēģijas ietver:
Biezāki gali– Pirmie 50–100 mm caurules katrā galā (kur tā saskaras ar caurules loksni) saņem papildu metāla slāņus, palielinot sienas biezumu. Šī pastiprinātā zona iztur lielu lokālo spriegumu, ko rada velmēšana, izplešanās, vibrācija un lieces momenti.
Plānāka vidusdaļa– Centrālais apgabals, kurā iekšējā spiediena radīts tikai stīpas spriegums, ir drukāts ar minimālo biezumu, kas nepieciešams, lai atbilstu spiediena projektēšanas kodam (piemēram, ASME VIII sadaļa, 1. vai 2. nodaļa). Dažos dizainos šī vidusdaļa ir par 30–50% plānāka nekā parastā vilkta caurule no tāda paša materiāla un spiediena reitinga.
Pakāpeniska pāreja– Sienas biezuma izmaiņas nelielā attālumā (piem., 20–30 mm) tiek samazinātas, lai izvairītos no sprieguma koncentrēšanās straujā solī.
Rezultāts ir funkcionāli klasificēts komponents: metāls ir novietots tieši tur, kur tas veicina mehānisko integritāti, un noņemts, kur tas tikai palielina svaru un siltuma pretestību.
Uzlabota siltuma pārnese un samazināts svars
Mainīgas sienas pieeja sniedz divus kvantitatīvus ieguvumus:
Uzlabots kopējais siltuma pārneses koeficients (U)– Vienādiem iekšējiem un ārējiem šķidruma apstākļiem plānāka caurules siena samazina vadītspējas pretestību. Dupleksā nerūsējošā tērauda siltumvadītspēja ir aptuveni 15–17 W/m·K. Sienas biezuma samazināšana no 2,0 mm līdz 1,2 mm (samazinājums par 40%) samazina vadošo siltuma pretestību par aptuveni 40%, palielinot kopējo U vērtību par izmērāmu rezervi (parasti par 10–15% atkarībā no plēves koeficientiem).
Svara samazināšana– Garai caurulei (piemēram, 6 m) lielākā daļa garuma ir plānsienu vidusdaļa. Ar piedevām ražotas caurules kopējais svars var būt par 25–40% mazāks nekā līdzvērtīgai, tradicionāli vilktai caurulei ar vienādu biezumu, kas paredzēta vieniem un tiem pašiem gala spriegumiem. Siltummaiņa komplektā ar simtiem cauruļu kumulatīvā svara ietaupījums ir būtisks -būtisks ārzonas platformām un kosmosa lietojumiem, kur katrs kilograms ir svarīgs.
Dupleksa piedevu ražošanas metalurģijas priekšrocības
Dupleksā nerūsējošā tērauda LPBF rada mikrostruktūru, kas ievērojami atšķiras no kaltā materiāla. Īpaši ātra sacietēšana (dzesēšanas ātrums līdz 10⁶ grādi/s) rada ļoti smalku, viendabīgu austenīta un ferīta maisījumu, bieži vien ar graudu izmēriem mikrometru vai submikrometru diapazonā. Šī smalkā struktūra var nodrošināt:
Augstāka tecēšanas robeža(bieži vien par 20–30% pārsniedz apstrādāto ekvivalentu drukātā stāvoklī).
Laba triecienizturībapēc atbilstošas termiskās apstrādes.
Minimāla segregācijasakausējuma elementiem, samazinot intermetālu fāzes veidošanās risku drukāšanas laikā.
Tomēr, lai sasniegtu optimālu izturību pret koroziju un fāzes līdzsvaru, lielākajai daļai aditīvi ražotu duplekso komponentu ir nepieciešamspēcapstrādes šķīduma atkausēšana un rūdīšana. Tipisks termiskās apstrādes cikls ir:
Uzkarsē līdz 1050–1100 grādiem (atkarībā no konkrētās pakāpes).
Turiet īsu laiku (piemēram, 30 minūtes uz 25 mm sekcijas biezuma).
Ātra dzēšana ar ūdeni vai gāzu dzēšana, lai izvairītos no sigma fāzes un citu intermetālisku elementu nogulsnēšanās.
After correct heat treatment, additively manufactured duplex stainless steel matches or exceeds the pitting resistance (PREN >40 superdupleksam) no tā kaltā līdzinieka.
Virsmas apdare un tās ietekme uz veiktspēju
LPBF caurules apdrukātā virsma ir ievērojami raupjāka nekā vilktai vai slīpētai caurulei. Tipiskās virsmas raupjuma (Ra) vērtības ir no 6 līdz 15 µm, salīdzinot ar 0,4–1,6 µm ievilktai caurulei. Šim nelīdzenumam ir divi konkurējoši efekti:
Uzlabota siltuma pārnese– Caurules iekšpusē virsmas raupjums veicina turbulentu plūsmu un izjauc lamināro robežslāni, palielinot konvekcijas plēves koeficientu. Šķidrumiem ar zemu siltumvadītspēju (piemēram, eļļām vai gāzēm) tas var būt noderīgi.
Paaugstināts spiediena kritums– Nelīdzenas virsmas arī palielina berzes koeficientu, kas prasa lielāku sūknēšanas jaudu. Lielas plūsmas lietojumos šis spiediena krituma sods var atsvērt siltuma pārneses priekšrocības.
Bažas par koroziju– Rupja virsma var uzkrāties hlorīdus vai nogulsnes, potenciāli izraisot punktveida koroziju vai plaisu koroziju. Agresīviem dzesēšanas ūdens pakalpojumiem var būt nepieciešama pēcapstrāde, piemēram, elektropulēšana vai ķīmiskā kodināšana, lai izlīdzinātu virsmu un atjaunotu pasīvās plēves kvalitāti.
Tāpēc galīgā virsmas apdare ir jānorāda kā daļa no piedevu ražošanas procesa, līdzsvarojot termiskās, hidrauliskās un korozijas prasības.
Pašreizējais stāvoklis: izmēģinājuma ražošanas un rūpniecības piloti
Duplekso nerūsējošā tērauda cauruļu piedevu ražošana vēl nav preču ražošanas metode. Tehnoloģija pašlaik tiek izmēģināta un apstiprināta nišas lietojumiem, kur svara, vietas vai veiktspējas piemaksas attaisno augstākas izmaksas (parasti 5–10 reizes lielākas nekā parasti stieptām caurulēm). Galvenās nozares ietver:
Jūras naftas un gāzes ieguve– Kompakti siltummaiņi augšējai apstrādei, kur svara samazināšana samazina platformas konstrukcijas izmaksas.
Aviācija– Rekuperatori un starpdzesētāji gāzturbīnu dzinējiem, kur katrs ietaupītais grams uzlabo degvielas efektivitāti.
Augstvērtīga ķīmiskā apstrāde– Izmēģinājuma iekārtas un īpašie reaktori, kur pielāgotas cauruļu ģeometrijas var optimizēt reakcijas kinētiku vai siltuma integrāciju.
Vairāki pētniecības projekti un uzņēmumi, kas sākuši lietot, ir parādījuši:
Drukātas dupleksās caurules, kuru garums ir līdz 1 m un diametrs ir 25 mm (galvenais ierobežojums ir aploksnes ierobežojumi; lielākām caurulēm nepieciešama modulāra druka vai jaunas paaudzes printeri).
Veiksmīgi ir ražotas mainīgas sienu biezuma attiecības 2:1 (biezais gals līdz plānam vidusdaļai).
Mehāniskie testi liecina, ka pareizi termiski apstrādātas apdrukātas caurules atbilst ASME II sadaļas (D daļa) sprieguma vērtībām dupleksajiem nerūsējošajiem tēraudiem istabas temperatūrā un paaugstinātā temperatūrā (līdz 250 grādiem).
Izaicinājumi un koda pieņemšana
Ar piedevām ražotu duplekso cauruļu plašo ieviešanu kavē trīs galvenie izaicinājumi:
1. Izveidojiet aploksnes izmēru
Lielākajai daļai LPBF printeru izgatavošanas apjoms ir ierobežots līdz 400 × 400 × 400 mm. Tipiska siltummaiņa caurule ir 3–6 m gara. Pilna garuma tūbiņas drukāšana vēl nav iespējama. Pašreizējās pieejas ietver:
Īsāku segmentu (piem., 300 mm sekcijas) drukāšana un to metināšana kopā (lai gan metināšanas šuves atkal ievieš dažus tradicionālos ierobežojumus).
Visa siltummaiņa serdeņa drukāšana kā viens bloks ar integrētām plūsmas kanāliem, nevis atsevišķām caurulēm.
Izmantojot virzītu enerģijas nogulsnēšanos (DED) ar rotējošu serdi, lai drukātu garas, nepārtrauktas caurules – šī metode joprojām tiek pētīta.
2. Dizaina koda kvalifikācija
Esošajos spiedtvertņu kodos (ASME VIII sadaļa, EN 13445) nav standartizētu noteikumu attiecībā uz detaļām, kas ražotas ar piedevām, jo īpaši attiecībā uz mainīga sienas biezuma caurulēm. Ražotājiem ir jākvalificē katrs dizains, veicot plašu testēšanu, vai jāizmanto "koda korpusa" pieeja (piemēram, ASME katlu un spiedtvertņu koda korpuss 2938 nerūsējošā tērauda papildu ražošanai). Tas ir laikietilpīgi un dārgi.
3. Nesagraujošā pārbaude (NDI)
Caurules ar mainīgu sieniņu biezumu pārbaudīt, vai tajā nav iekšēju defektu (sakausēšanas trūkums, porainība, plaisas), ir sarežģītāk nekā vienādas sienas caurulei. Var izmantot rentgena datortomogrāfiju (CT), bet tā ir lēna garām caurulēm. Ultraskaņas metodēm ir nepieciešama pielāgota kalibrēšana katram biezuma reģionam.
Nākotnes perspektīva: brīvas formas siltummaiņa dizains
Palielinoties printeru ražošanas apjomam un pilnveidojoties kodiem, sagaidāms, ka piedevu ražošana no izmēģinājuma projektiem pāriet uz standarta opciju premium kompaktajiem siltummaiņiem. Spējamainīt sienas biezumu visā garumāir tikai pirmais solis. Nākotnes dizainā var ietilpt:
Iekšēji raupjas sekcijaslai veicinātu turbulenci zemas plūsmas zonās ar gludām sekcijām citur, lai samazinātu spiediena kritumu.
Mainīgas spuras ģeometrijascauruļu ārpusē.
Integrēti ieplūdes un izplūdes kolektoru reģionimonolīti apdrukāts ar caurulēm, novēršot savienojumus un ar to saistīto korozijas risku.
Novērtēti materiālivisā caurules garumā (piemēram, lētāks sakausējums zema sprieguma vidū, pārejot uz superdupleksu galos).
Īpaši dupleksajam nerūsējošajam tēraudam turpinās pētījumi, lai novērstu vajadzību pēc drukāšanas šķīduma atkausēšanas, optimizējot LPBF parametrus in situ, tādējādi potenciāli samazinot izmaksas un izpildes laiku.
Secinājums: caurule, kas dzimis ar konusveida jostasvietu
Piedevu ražošana dod inženieriem brīvību veidot dupleksas nerūsējošā tērauda caurules milimetru mērogā, radot vieglākas, efektīvākas un perfekti pielāgotas to sprieguma profiliem sastāvdaļas. Tagad var apdrukāt cauruli ar biezākiem galiem, lai izturētu cauruļu loksnes slodzi, un plānāku vidusdaļu, lai samazinātu termisko pretestību un svaru. Lai gan pašlaik tehnoloģija ir ierobežota ar izmēģinājuma ražošanu augstvērtīgiem lietojumiem, veiktspējas uzlabojumi-uzlaboti siltuma pārneses koeficienti, materiāla svara samazinājums par 25–40% un iespēja optimizēt katru biezuma milimetru{5}}ir nenoliedzami. Siltummaiņu dizaina nākotne ir brīvas formas, un šīs attīstības priekšgalā ir aditīvi ražotas abpusējās nerūsējošā tērauda caurules. Standarta dizaina kodi tuvojas, un, printera iespējām paplašinoties, "optimizētā sienu biezuma" caurule no pētniecības zinātkāres pāriet uz standarta industriālu risinājumu.
