هنگام تعیین مواد برای محیط‌های صنعتی با دمای بالا-مانند سیستم‌های اگزوز، محفظه‌های دیگ بخار، یا عناصر معماری در نزدیکی منابع گرما{2}}درک نحوه رفتار فولاد تحت تنش حرارتی بسیار مهم است. برای فولاد کورتن S355J2W، ماده ای که به دلیل مقاومت در برابر خوردگی جوی مشهور است، عملکرد آن در کاربردهای گرمایشی به دو ویژگی به هم پیوسته بستگی دارد: هدایت حرارتی و پایداری مقاومت مکانیکی آن.
این مقاله مفاهیم عملی این ویژگی‌ها را توضیح می‌دهد و به شما کمک می‌کند برای پروژه‌هایی که در معرض گرما هستند تصمیم‌گیری آگاهانه بگیرید.
1. هدایت حرارتی: انتقال حرارت متوسط
رسانایی حرارتی توانایی یک ماده برای هدایت گرما را اندازه گیری می کند. برای فولادهای ساختاری، از جمله S355J2W Corten، این مقدار معمولاً در محدوده است45-50 وات بر متر-کلوین (W/(m·K))در دمای اتاق
برای قرار دادن این موضوع:
هستکمتر از مس خالص (حدود 400 W/(m·K))یا آلومینیوم، به این معنی که برای کاربردهایی که نیاز به اتلاف سریع گرما دارند، مانند هسته مبدل حرارتی، انتخاب ایده آلی نیست.
هستکمی کمتر از فولاد کربن استاندارد (تقریبا 50-60 W/(m·K))به دلیل وجود عناصر آلیاژی (مس، کروم و غیره) که به هوازدگی کمک می کند اما جریان گرما را کمی مختل می کند.
مفهوم عملی:این رسانایی متوسط به این معنی است که فولاد کورتن با سرعت کمی کمتر از فولاد کربنی ساده گرم می شود. در کاربردهایی مانند پانل روکش خارجی در نزدیکی دریچه، این می تواند منجر به گرمایش موضعی تر و ناهموار شود. قسمتی که مستقیماً در معرض منبع گرما قرار می گیرد به طور قابل توجهی گرمتر از مناطقی است که فقط چند اینچ دورتر هستند و شیب های حرارتی ایجاد می کند که باعث ایجاد استرس می شود.
2. عامل حیاتی: حفظ استحکام دما بالا-
در حالی که رسانایی بر نحوه پخش گرما تأثیر می گذارد، عامل تعیین کننده برای یکپارچگی ساختار استاین ماده با افزایش دمای خود چقدر استحکام را حفظ می کند.
همه فولادها با گرمتر شدن استحکام تسلیم خود را از دست می دهند. برای طراحی سازه، مهندسان بر عوامل کاهش استاندارد تکیه می کنند. آستانه دمای کلیدی برای S355J2W عبارتند از:
تا 300 درجه (570 درجه فارنهایت):فولاد تقریباً 100٪ از استحکام تسلیم دمای اتاق- خود را حفظ می کند. عملکرد تا حد زیادی برای اکثر کاربردهای صنعتی خارجی تحت تأثیر قرار نمی گیرد.
در ~400 درجه (750 درجه فارنهایت):قدرت تسلیم معمولاً به حدود کاهش می یابد80-85%ارزش اصلی آن
در ~500 درجه (930 درجه فارنهایت):قدرت تسلیم می تواند تقریباً کاهش یابد60-70%. قرار گرفتن در معرض طولانی مدت در این دما همچنین ممکن است روی پتینه محافظ تأثیر بگذارد و اکسیداسیون را تسریع کند.
بالای 600 درجه (1110 درجه فارنهایت):کاهش قابل توجهی از استحکام رخ می دهد و فولاد وارد محدوده "خزش" می شود، جایی که می تواند به طور دائم تحت بار ثابت تغییر شکل دهد.
مفهوم عملی:برای یک ستون یا براکت باربر-در یک منطقه{1}در دمای بالا، طراحی باید بر اساسکاهش استحکام در حداکثر دمای مورد انتظار سرویس، نه قدرت دمای محیط-. این اغلب مستلزم استفاده از بخش های ضخیم تر یا تکیه گاه های اضافی است.
طراحی کلید و دستورالعمل های کاربردی
استفاده موفقیت‌آمیز از کورتن S355J2W در محیط‌های گرم به مهندسی فعال نیاز دارد:
دمای سرویس را تعریف کنید: اولین گام این است که به طور دقیق حداکثر و مداوم دمای کارکرد قطعه را تعیین کنید. این امر ضریب کاهش قدرت را برای استفاده در محاسبات دیکته می کند.
طراحی برای انبساط حرارتی: فولاد هنگام گرم شدن منبسط می شود. با ضریب انبساط حرارتی مشابه سایر فولادها (~12 x 10-6/درجه)، محدودیت ها در طراحی می توانند منجر به کمانش یا تنش های داخلی بالا شوند. اتصالات انبساط و اتصالات انعطاف پذیر ضروری هستند.
پتینه را در نظر بگیرید: لایه محافظ زنگ در شرایط جوی پایدار است اما می تواند در اثر حرارت ثابت، زیاد یا برخورد مستقیم با شعله به خطر بیفتد. زیبایی ممکن است تغییر کند، و محافظت زمینه ای می تواند در نقاط موضعی کاهش یابد.
از خستگی ناشی از چرخه حرارتی اجتناب کنید: گرمایش و سرمایش مکرر (چرخه حرارتی) آسیب بیشتری نسبت به دمای بالا ثابت دارد. این می تواند منجر به ترک خوردگی ناشی از خستگی، به ویژه در اتصالات جوش داده شده یا گوشه های تیز شود. طراحی جزئیات باید تمرکزکننده های تنش را در نواحی تحت سیکل به حداقل برساند.
از مواد مجاور محافظت کنیدرسانایی متوسط و میانگین نگهداری گرما مواد مجاور (مانند درزگیرها، عایق ها یا اتصال دهنده ها) باید برای دمای سطح مورد انتظار فولاد کورتن نیز درجه بندی شوند.
به طور خلاصه، در حالی که فولاد کورتن S355J2W می تواند در بسیاری از کاربردهای صنعتی با دمای بالا عملکرد خوبی داشته باشد، اما یک "آلیاژ{3}}در دمای بالا" نیست.
آنهدایت حرارتی متوسط می تواند گرمایش ناهموار ایجاد کند و ظرفیت باربری آن به طور قابل پیش بینی با افزایش دما کاهش می یابد. کلید عملکرد ایمن و بادوام این است کهطراحی بر اساس داده‌های{0}درجه حرارت بالا، جابجایی حرارتی، و درک محدودیت‌های پتینه محافظ آن. برای قطعاتی که با دمای پایدار بالای 400 درجه روبرو هستند، مشورت با یک مهندس سازه و در نظر گرفتن فولادهای تخصصی به شدت توصیه می شود.
