تست وسایل نقلیه مافوق صوت لوله‌کشی را در یکی از سخت‌ترین محیط‌های مهندسی قرار می‌دهد. دمای رکود در داخل یک تونل باد با ماخ بالا می تواند از نقطه ذوب فولاد معمولی فراتر رود، در حالی که همان حلقه آزمایشی ممکن است همزمان هیدروژن، هلیوم یا متان را به عنوان خنک کننده و به عنوان سوخت حمل کند. بنابراین لوله آلیاژی برای این وظیفه باید استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون را با چقرمگی قابل اعتماد در دمای پایین، تحمل ابعاد نزدیک و سطح داخلی که گاز آزمایش را آلوده نکند ترکیب کند.
شرایط سرویس در یک حلقه تست هایپرسونیک
سه بار به طور همزمان روی لوله ها اعمال می شود: گرمایش آیرودینامیکی ناشی از جریان آزمایش، چرخه حرارتی بین دوهای متوالی، و ارتعاش منتقل شده از نازل، پشتیبانی مدل و سیستم تحویل سوخت. لوله‌های نزدیک به بخش آزمایش معمولاً به طور فعال خنک می‌شوند و کانال‌های خنک‌کننده در دیواره مجرا شکل می‌گیرند یا بر روی آن لحیم می‌شوند. خطوط سوخت برای یک مقاله آزمایشی اسکرام جت باید در دمای ورودی برودتی در انتهای سرد و حرارت شدید بلافاصله در پایین دست انژکتور خیس شود.
دمای رکود: چندین هزار درجه سانتیگراد در لبه جلویی یک مدل با ماخ بالا.
دمای مایع خنک کننده: تا سطح هیدروژن مایع و هلیوم مایع.
لرزش: بارگذاری با فرکانس بالا پایدار در 5 ماخ و بالاتر.
خلوص: ترکیب گاز آزمایشی نباید در اثر خروج گاز یا محصولات خوردگی تغییر یابد.
درجات و مشخصات آلیاژی برای لوله کشی در دمای بالا
| خانواده آلیاژی | مشخصات معمولی | ویژگی های کلیدی | استفاده معمولی |
|---|---|---|---|
| ضد زنگ آستنیتی 304L و 316L | ASTM A312، ASTM A213 | مقاومت در برابر اکسیداسیون، جوشکاری آسان | خطوط تصفیه و تاسیسات، درجه حرارت متوسط |
| آلیاژ نیکل-کروم-آهن UNS N06600 | ASTM B167، ASTM B163 | مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا، رفتار شوک حرارتی خوب | بخاری و مجرای گاز داغ |
| آلیاژ نیکل-کروم-مولیبدن-نیوبیم UNS N06625 | ASTM B444، ASTM B705 | استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی گسترده، انبساط حرارتی کم | قرقره های اندازه گیری و مقاطع داغ با فشار بالا |
| آلیاژ نیکل-آهن-کروم سخت شده در اثر بارش UNS N07718 | ASTM B637، ASTM B670 | استحکام بالا حفظ شده در دما، چقرمگی برودتی | خطوط و فلنج های تحویل سوخت اسکرام جت |
| آلیاژ تیتانیوم درجه 5 | ASTM B338، ASTM B861 | چگالی کم، سازگاری برودتی | خنک کننده سبک و خطوط سوخت |
| فلزات نسوز: تنگستن، مولیبدن، TZM | ASTM B760، ASTM B387 | نقطه ذوب بسیار بالا، فقط سرویس بی اثر یا خلاء | آستر گلو و اجزای نقطه رکود |
طراحی کانال های خنک کننده و لوله های تحویل سوخت
هندسه کانال خنک کننده معمولاً با تجزیه و تحلیل انتقال حرارت مزدوج و نه تنها با درجه فشار ثابت می شود. ضخامت دیوار، نسبت ابعاد کانال و سرعت مایع خنک کننده در برابر دمای مجاز دیواره برای آلیاژ انتخابی متعادل می شود. در جایی که خط هیدروژن را حمل می کند، طراح باید انقباض حرارتی زیاد هنگام خنک کردن، حساسیت تردی هیدروژن درجه انتخاب شده و افزایش فشار ایجاد شده هنگام فعال شدن یک شیر را نیز در نظر بگیرد.
برای جذب انقباض حرارتی کامل بین شرایط محیطی و برودتی از دم‌های انعطاف‌پذیر یا حلقه‌های انبساط استفاده کنید.
اتصالات جوشی را در قسمت های سرد شده به حداقل برسانید. در جاهایی که اتصال اجتناب ناپذیر است، از جوش های با نفوذ کامل با فلز پرکننده همسان استفاده کنید.
از تغییرات ناگهانی بخش که باعث ایجاد نقاط داغ موضعی و تمرکز استرس می شود اجتناب کنید.
خط را طوری پشتیبانی کنید که در حین چرخه حرارتی بتواند به صورت محوری بلغزد اما نتواند لرزش داشته باشد.
پوشش سطح، تمیز کردن و کنترل آلودگی
سطوح داخلی به صورت مکانیکی صیقل داده می شوند و سپس با استانداردهای با خلوص بالا تمیز می شوند، زیرا یک دیوار ناهموار یا آلوده لایه مرزی را مختل می کند و می تواند ذرات را در جریان آزمایش آزاد کند. گریدهای آستنیتی مطابق با ASTM A967 غیرفعال می شوند. آلیاژهای نیکل در صورت نیاز چربی زدایی، ترشی یا پولیش الکتریکی می شوند و در صورت نیاز، با خلاء پخته می شوند تا بقایای فرار از بین برود. تمیز کردن با ابزار اختصاصی انجام می شود تا هیچ گونه آلودگی متقاطع بین خانواده های آلیاژی رخ ندهد.
بازرسی و اسناد کیفیت
لوله برای این دسته از کارها معمولاً با گواهی بازرسی EN 10204 نوع 3.1، نتایج آزمایشات شیمیایی و مکانیکی و در صورت مشخص شدن، معاینه اولتراسونیک یا جریان گردابی بدنه لوله ارائه می شود. قرقره های ساخته شده با آزمایش فشار هیدرواستاتیک یا پنوماتیک ثابت می شوند، با آزمایش نشت اسپکترومتر جرمی هلیوم بررسی می شوند، توسط ماده نافذ رنگ یا رادیوگرافی در محل جوش مورد بررسی قرار می گیرند، و از نظر ابعادی در برابر نقشه ایزومتریک قبل از ارسال تأیید می شوند.
سوالات متداول
س: کدام آلیاژها در شرایط رکود یک تونل باد با ماخ بالا زنده می مانند؟
فلزات نسوز مانند تنگستن، مولیبدن و TZM بالاترین درجه حرارت را در خلاء یا اتمسفر خنثی ارائه می‌کنند، در حالی که مجاری خنک‌شده فعال آلیاژهای مبتنی بر نیکل مانند UNS N06625 یا UNS N07718 بخش عمده‌ای از مسیر جریان را حمل می‌کنند.
س: چگونه از آلودگی گاز آزمایشی جلوگیری می شود؟
با صیقل دادن و تمیز کردن سطوح داخلی با استانداردهای خلوص بالا، استفاده از پخت خلاء در جایی که لازم است، و دست زدن به هر آلیاژ با ابزار اختصاصی به طوری که هیچ ماده خارجی وارد مسیر جریان نشود.
س: چه چیزی طراحی لوله های تحویل سوخت اسکرام جت را دشوار می کند؟
این خط باید خنک کننده برودتی در ورودی و خیساندن شدید گرما در نزدیکی انژکتور را تحمل کند، در برابر لرزش 5 ماخ و بالاتر مقاومت کند و انقباض حرارتی کامل را بدون بارگذاری بیش از حد فلنج انژکتور انجام دهد.
س: چرا از اقدامات حفاظت حرارتی در لوله های آزمایشی استفاده می شود؟
عایق یا آستر محافظ، خیساندن حرارت را بین اجراها محدود می کند، دوره خنک شدن را کوتاه می کند و ابزار دقیق و مهر و موم را محافظت می کند، که تعداد آزمایش هایی را که یک مرکز می تواند انجام دهد افزایش می دهد.
س: بارهای روی لوله های آزمایشی مافوق صوت چگونه تأیید می شوند؟
مدل‌سازی چندفیزیکی دینامیک سیالات محاسباتی را با تجزیه و تحلیل حرارتی و ساختاری ترکیب می‌کند و نتایج با اندازه‌گیری فشار سنج و تست ارتعاش بر روی قرقره مونتاژ شده تأیید می‌شوند.
س: کدام استانداردها برای لوله های آلیاژی جوش داده شده در خدمات با دمای بالا اعمال می شود؟
لوله بدون درز و جوش داده شده به ASTM A213، A312، B163، B167، B444 یا B705 مطابق با آلیاژ سفارش داده می شود، در حالی که ساخت و بررسی قرقره تمام شده معمولاً از ASME B31.1 یا ASME B31.3 پیروی می کند.
