Czy gięcie na zimno rur osłonowych ze stali nierdzewnej 316 do podgrzewaczy zanurzeniowych w kształcie litery U-przekształca austenit szczątkowy w-odkształcenie indukowane martenzytu i przyspiesza wżery w wodzie o niskiej-chlorku-o wysokiej temperaturze?

Ryzyko metalurgiczne związane z formowaniem-kształtu litery U lub giętych na zamówienie elektrycznych rur grzewczych ze stali nierdzewnej 316 jest powszechnie pomijane w standardowych wymaganiach dotyczących korozji. Proces zginania, zwłaszcza przy zastosowaniu małych promieni w rurach ciągnionych na zimno, powoduje odkształcenie plastyczne, które przekształca metastabilny austenit szczątkowy w martenzyt-indukowany odkształceniami. To przejście zmniejsza efektywną liczbę równoważną odporności na wżery (PREN) obszaru zgięcia, nawet jeśli materiał podstawowy technicznie spełnia wymagania dotyczące składu 316. Testy elektrochemiczne danych eksperymentalnych ujawniają, że krytyczne temperatury wżerów (CPT) w giętych na zimno częściach osłon ze stali nierdzewnej 316 mogą być o 15-25 stopni niższe niż w przypadku niezagiętych odcinków wykonanych z tego samego ciepła. W zastosowaniach, w których woda ma niską zawartość chlorków, ale wysoką temperaturę (np. 80 do 95 stopni C, 50 do 100 części na milion Cl⁻), ta redukcja zwykle powoduje przesunięcie wygiętej strefy z pasywnego do aktywnego stanu wżerów w ciągu kilku miesięcy pracy, powodując przedwczesną awarię grzejnika. W artykule tym oceniono związek pomiędzy promieniem zgięcia, frakcją martenzytu wywołaną odkształceniami i podatnością na wżery oraz przedstawiono ramy wyboru dla inżynierów projektantów, którzy określają grzałki zanurzeniowe ze stali nierdzewnej 316 do umiarkowanie trudnych środowisk wodnych.

Metalurgiczny mechanizm odkształcenia-Martenzyt indukowany w giętej na zimno stali nierdzewnej 316
Struktura austenityczna stali nierdzewnej 316 jest stabilna termodynamicznie tylko przy określonej energii błędu ułożenia. Poniżej temperatury początkowej martenzytu (Ms) odkształcenie mechaniczne jest procesem obróbki na zimno, w którym dostarczona energia jest wystarczająca do wywołania przejścia od-austenitu sześciennego centrowanego na powierzchni ($\\gamma$) do-martenzytu tetragonalnego centrowanego na ciele ($\\alpha'$). Temperatura Ms stali nierdzewnej 316 wynosi około -40 stopni. Jednakże martenzyt wywołany odkształceniem jest widoczny w temperaturze pokojowej jako rzeczywiste odkształcenie plastyczne w ilości krytycznej. Zginanie powoduje naprężenie zewnętrznych włókien osłony i ściskanie włókien wewnętrznych. ε=t/2R Gdzie R to promień zagięcia do linii środkowej rury, t to grubość ścianki, a ε to maksymalne odkształcenie plastyczne po stronie rozciągającej. W przypadku zgięcia 2D standardowej rury o średnicy zewnętrznej 12 mm i grubości ścianki 1,2 mm do promienia linii środkowej wynoszącego 24 mm, odkształcenie włókna zewnętrznego wynosi 0,05 (5%). Przy promieniu 15 mm (zgięcie 1,25D) odkształcenie wzrasta do 0,08 (8%). Pomiary za pomocą Feritscope Fischera wskazują, że w stali nierdzewnej 316 odkształcenie przy rozciąganiu wynoszące 5% daje w wyniku około 8-12% martenzytu, a odkształcenie 8% daje martenzyt 15-25%.

Produkcja martenzytu ma podwójny wpływ na odporność na korozję. Po pierwsze, martenzyt jest słabiej rozpuszczalny w chromie i molibdenie niż austenit i powoduje powstawanie plam zubożonych w chrom na granicach faz. Po drugie, martenzyt jest w stosunku do austenitu fazą katodową, w wyniku czego powstają mikroogniwa galwaniczne i anodowe rozpuszczanie sąsiedniego austenitu. Potencjodynamiczne skany polaryzacyjne w roztworze chlorku o stężeniu 100 ppm w temperaturze 80 stopni wskazują, że gięta na zimno stal nierdzewna 316 z 15% martenzytem ma potencjał wżerowy wynoszący +150 mV względem Ag/AgCl, podczas gdy ten sam materiał w stanie całkowicie zrekrystalizowanym ma potencjał wżerowy wynoszący +350 mV. Zmiana napięcia o 200 mV oznacza, że ​​zagięty obszar potrzebuje znacznie mniejszej polaryzacji anodowej, aby zainicjować wgłębienia.

Ilościowa zależność pomiędzy promieniem zgięcia i trwałością wżerową
Grzejniki ze stali nierdzewnej 316 w kształcie litery U- (grubość 1,5 mm, średnica 12 mm) poddano kontrolowanym eksperymentom zanurzeniowym w syntetycznej wodzie chłodzącej (80 ppm Cl−, 200 ppm SO42−, pH 7,2, 85 stopni) w celu wykazania wzorców uszkodzeń w funkcji promienia zgięcia: każdy grzejnik działał przy powierzchniowym strumieniu ciepła wynoszącym 8 W/cm 2 . Uszkodzenie zdefiniowano jako perforację z powodu wżerów na zewnętrznym wierzchołku zagięcia.

Promień zgięcia 36 mm (3D, odkształcenie ≈3,3%): Średnia awaria wżerowa po 2100 godz. Zawartość martenzytu w zagiętym wierzchołku 6% Inicjacja w wielu miejscach, powolna propagacja.

Promień zgięcia 24 mm (2D, odkształcenie 5,0%): Średnie uszkodzenie wżerowe po 1150 h. Zawartość martenzytu: 11% Wżery zarodkowane preferencyjnie w szczytach odkształcenia po stronie rozciągającej.

Promień gięcia 18 mm (1,5D, odkształcenie 6,7 %). Średnia awaria wżerowa 550 godzin. zawartość martenzytu 18%; Zlokalizowana korozja w pierścieniu o średnicy 2 mm na zewnętrznym łuku.

Promień gięcia 12 mm (1D, odkształcenie 10%): średnia awaria wżerowa po 180 godz. Zawartość martenzytu: 27%. Szybka perforacja z czasami pękaniem.

W zastosowaniach, w których występuje większe stężenie chlorków (300-500 ppm) w wodzie procesowej, trwałość wżerów przy każdym promieniu zgięcia zmniejsza się o kolejny współczynnik 2-3. Alternatywnie, dla temperatury wody poniżej 50 stopni, przyspieszenie wżerów wywołane martenzytem jest nieistotne, ponieważ krytyczna temperatura wżerów jest wyższa niż temperatura robocza nawet w przypadku profili giętych.

Termiczne i mechaniczne skutki miejscowych wżerów na zakrętach.
Konstrukcja skupiająca naprężenia na promieniu zgięcia sprawia, że ​​awarie wżerów są szczególnie kłopotliwe. Kiedy wgłębienie przebije się przez ścianę osłony, wewnętrzny element grzejny (zwykle drut NiCr lub FeCrAl) zostaje wystawiony na działanie płynu procesowego. W systemach wodnych powoduje to natychmiastowe zwarcie doziemne i wyłączenie grzejnika. Jednakże izolowane gorące punkty powstają w wgłębieniach o częściowej-grubości nawet przed pełną perforacją ze względu na wyższy opór cieplny i zlokalizowaną gęstość prądu w pozostałej grubości ścianki u podstawy wgłębienia. Termografia w podczerwieni grzejnika z 30% penetracją ścianki na zakręcie wskazuje na wzrost temperatury powierzchni o 35–50 stopni w stosunku do temperatury płaszcza wokół zagięcia. To gorące miejsce zwiększa korozję i może powodować-przepalenie wewnętrznego drutu oporowego z powodu miejscowego przegrzania. Nawet w układach ciśnieniowych zagłębienie o częściowej głębokości może służyć jako nośnik naprężeń i inicjować pęknięcia zmęczeniowe, gdy grzejnik poddawany jest cyklom termicznym.

Naprężenia szczątkowe rozciągające wywołane zginaniem powodują również w pewnych warunkach pękanie korozyjne naprężeniowe (SSC). Połączenie szczątkowego naprężenia rozciągającego (zwykle 100-250 MPa na zgięciu zewnętrznego włókna), martenzytu i podwyższonej temperatury powoduje synergistyczny mechanizm zniszczenia w warunkach zawierających chlor-w przypadku stali nierdzewnej 316. Dostępne są historie przypadków chemicznych reaktorów wsadowych, w których grzejniki 316 w kształcie litery U, wygięte do promienia 1,5D przy 200 ppm Cl w temperaturze 95 stopni, uległy awarii w wyniku transkrystalicznego SCC po 300 godzinach, podczas gdy identyczne grzejniki wygięte do promienia 3D działały przez prawie 3000 godzin bez pęknięć.

Przewodnik po wyborze promienia zgięcia według poziomu chlorków i temperatury roboczej
Poniższa macierz decyzyjna pomaga inżynierom w określeniu minimalnych promieni zgięcia dla-kształtowanych na zamówienie i formowanych na zamówienie-elektrycznych rur grzewczych ze stali nierdzewnej 316 ze stali nierdzewnej. Dla każdej kombinacji stężenia chlorków i maksymalnej temperatury płaszcza podany jest zalecany minimalny stosunek R/t (promień zgięcia podzielony przez zewnętrzną średnicę rury), aby ograniczyć powstawanie martenzytu do mniej niż 5%.

Maksymalne stężenie chlorków (ppm) Maksymalna temperatura osłony (stopnie) Zalecany minimalny promień zgięcia (wielokrotna średnica zewnętrzna rury) Przewidywane wżery-Wolna trwałość (w godzinach) Czy potrzebujesz obróbki cieplnej po zgięciu?-
< 50 < 60 2.0 D > 5000 No 50 – 100 < 60 2.0 D > 4000 No 50 – 100 60 – 90 2.5 D > 3000 No 50 – 100 90 – 110 3.0 D > 2000 Recommended (solution anneal if possible)
600 > 90 4.0 D > 600 Wymagane + rozważenie ulepszenia stopu (Incoloy 825) > 600 > 100 4.5 D > 500 Wymagane + rozważenie ulepszenia stopu (Incoloy 825) > 600 > 100 5.0 D > 400 Wymagane + rozważenie ulepszenia stopu (Incoloy 825) > 600 > 100 6.0 D > 300 Wymagane + rozważenie ulepszenia stopu (Incoloy 825) > 600 > 100 7.0 D > 200 Wymagane + rozważenie ulepszenia stopu (Incoloy 825) > 600 > 100 8.0 D > 100 Wymagane + rozważenie ulepszenia stopu (Incoloy 825) 600 dowolna temperatura Nie zginać na zimno, używać prostych grzejników ani formować- na gorąco zagięcia Nieodpowiednie Użyj prostego 316 lub przejdź na bardziej odporny stop
W przypadku zastosowań wymagających zwartych zagięć w kształcie U-o mniejszym niż 2,5D w umiarkowanych warunkach chlorkowych producenci mogą zdecydować się na zastosowanie procedury wyżarzania po-zgięciu, podgrzewania do 1050 stopni, a następnie szybkiego hartowania w wodzie, w celu rekrystalizacji naprężonej struktury i usunięcia martenzytu. Jednakże wyżarzanie-ukończonych zespołów grzejników zazwyczaj nie jest możliwe, ponieważ wewnętrzny element grzejny i uszczelki końcowe nie tolerują takich temperatur. W takich okolicznościach praktyczną odpowiedzią byłoby określenie większego promienia zgięcia lub bardziej podatnego na formowanie, ale wciąż odpornego na korozję-stopu, takiego jak 316Ti (z dodatkiem tytanu w celu stabilizacji węglików i mniejszej tendencji do tworzenia martenzytu).

Dodatkowe kroki w celu ograniczenia zginania-powiązanej korozji
Gdy ograniczenia projektowe wymagają wąskiego promienia zgięcia osłony ze stali nierdzewnej 316, trzy metody techniczne mogą częściowo przywrócić odporność na korozję. Odkształcenie włókna zewnętrznego jest proporcjonalne do t/R. Zatem im grubsza ścianka rury przed zgięciem, tym mniejsze odkształcenie włókna zewnętrznego dla danego promienia zgięcia. Rura ścienna o średnicy 1,8 mm wygięta do promienia 1,5D ma mniejsze odkształcenie niż rura ścienna o średnicy 1,2 mm wygięta do tego samego promienia. Powoduje to zmniejszenie produkcji martenzytu o około 30%. Po drugie, określenie stali 316L o niskiej zawartości węgla (maksymalnie 0,03% C) w porównaniu do 316 (0,08% C) zwiększy odporność na uczulenie podczas zginania i późniejszego spawania, ale nie zapobiegnie bezpośrednio tworzeniu się martenzytu. Po trzecie, operacja elektropolerowania-po zgięciu eliminuje cienką warstwę powierzchniową (20–50 µm) o maksymalnej gęstości martenzytu i wadach wywołanych{{18}odkształceniem. Testy elektrochemiczne wskazują, że elektropolerowanie zgięcia 1,5D zwiększa potencjał wżerów do poziomu 50 mV w stanie nierozgiętym i zwiększa żywotność trzykrotnie w porównaniu z niepolerowanymi zgięciami.

Promienie zgięcia dla wytrzymałych grzejników zanurzeniowych ze stali nierdzewnej 316
Projektanci proszący o wycenę rur do ogrzewania elektrycznego ze stali nierdzewnej 316 w kształcie litery U-lub giętych na zamówienie powinni określić minimalny promień gięcia jako wielokrotność zewnętrznej średnicy rury, oczekiwane stężenie chlorków i maksymalną temperaturę roboczą płynu procesowego. Nie wierz, że standardowy promień zgięcia producenta jest odpowiedni dla składu chemicznego wody (zwykle 2D lub 1,5D). W przypadku nowych instalacji o twardości wody i poziomach chlorków typowych dla wodociągów komunalnych (50-150 ppm Cl-, temperatura robocza 60-80 stopni) należy zapewnić minimalny promień zgięcia 3D, aby zapewnić stężenie martenzytu poniżej 5% i przewidywaną-żywotność bez wżerów ponad 10 000 godzin. Jeśli ograniczenia przestrzenne nakazują zagięcia ciaśniejsze niż 2,5 D, poproś dostawcę o wykonanie pomiarów martenzytu wywołanego odkształceniami (ferrytoskopem lub dyfrakcją rentgenowską) na zgięciach próbek i rozważenie elektropolerowania lub procedury uwalniania naprężeń po zgięciu. Traktując promień zgięcia jako zmienną projektową na równi z grubością ścianki i połyskiem powierzchni, inżynierowie procesu mogą zapobiegać przedwczesnym awariom, które nie wynikają z prostych odcinków, ale z podatnego włókna zewnętrznego każdego zagięcia.