W jaki sposób grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 wpływa na rozkład naprężeń szczątkowych po kształtowaniu i jego wpływ na życie zmęczeniowe korozją w środowiskach morskich?

Zmęczenie korozyjne jest szczególnie agresywnym mechanizmem awarii elektrycznych grzałek zanurzeniowych, określonych przez inżynierów morskich dla platform przybrzeżnych, systemów pokładowych i przybrzeżnych zakładów przemysłowych, gdy występują cykliczne obciążenia mechaniczne i korozja chlorkowa. Zmęczenie korozyjne prowadzi do inicjacji pęknięć przy znacznie niższych amplitudach naprężeń i krótszych cyklach życia niż czyste zmęczenie w powietrzu lub czysta korozja w warunkach statycznych. Naprężenia szczątkowe generowane przez kształtowanie (które zagęszcza izolację z tlenku magnezu wokół drutu oporowego) oddziałują z naprężeniami eksploatacyjnymi i albo przyspieszają, albo opóźniają powstawanie pęknięć, w zależności od ich znaku i wielkości. W artykule określono ilościowo wpływ grubości ścianki osłony na rozkład naprężeń szczątkowych po kształtowaniu oraz wpływ tych naprężeń szczątkowych na trwałość zmęczeniową korozyjną w środowisku morskim.

Generacja naprężeń szczątkowych podczas kształtowania osłon 316
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The size of these residual strains is dependent on wall thickness and diameter reduction. For a thin walled sheath--below 1.0 mm--the swage force penetrates almost the whole wall thickness. The resulting strong compressive stresses at the outer surface (-200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (+50 to +100 MPa) are obtained. The swaging force is taken mostly by the outside layers of the thick-walled sheath (>1,8 mm), które wytwarzają silne naprężenia ściskające tylko w pobliżu powierzchni zewnętrznej, pozostawiając warstwy wewnętrzne w dużej mierze nietknięte. Naprężenia rozciągające na powierzchni wewnętrznej są również niższe ze względu na mniej całkowite zagęszczenie MgO, jak stwierdzono w artykule 12. Związek ten został potwierdzony przez pomiary dyfrakcji promieni X-naprężeń szczątkowych w kształtowanych osłonach 316. Dla osłony ściennej o grubości 0,9 mm powierzchniowe naprężenie ściskające wyniosło -280 MPa. Płaszcz ścienny o grubości 1,5 mm miał -180 MPa. Płaszcz ścienny o grubości 2,0 mm wykazywał tylko -120 MPa. Cieńsza osłona przechowuje korzystniejsze naprężenia ściskające na powierzchni zewnętrznej, w miejscu inicjacji pękania zmęczeniowego korozyjnego.

Wpływ szczątkowego naprężenia ściskającego na inicjację pęknięć korozyjnych
Cykliczne naprężenia rozciągające i korozyjny elektrolit zawierający chlorki powodują początek pękania zmęczeniowego korozyjnego w stali nierdzewnej 316. Pęknięcie zaczyna się od wgłębienia lub wtrącenia na powierzchni, w którym zawiodła pasywna powłoka ochronna. Jeśli na powierzchni występuje szczątkowy stan naprężenia ściskającego, przyłożone cykliczne naprężenie rozciągające musi przezwyciężyć to ściskanie, aby wytworzyć napięcie netto na końcu pęknięcia. To znacznie zwiększa naprężenie progowe początku pęknięcia. W przypadku osłony 0,9 mm 316 z resztkowym ściskaniem powierzchni -280 MPa, przyłożone naprężenie cykliczne wynoszące +200 MPa daje w wyniku zaledwie -80 MPa netto na powierzchni, która jest nadal ściskana i niezdolna do zainicjowania pęknięcia zmęczeniowego. Dopiero naprężenie cykliczne przekraczające + 280 MPa generuje napięcie netto na powierzchni. Dla porównania, osłona o grubości 2,0 mm, która ma ściskanie powierzchniowe zaledwie -120 MPa, znajduje się w stanie napięcia netto, gdy przyłożone naprężenie jest większe niż +120 MPa, czyli znacznie niższy próg. Testy zmęczenia korozyjnego w syntetycznej wodzie morskiej w temperaturze 60 stopni potwierdzają ten efekt. Próbki o grubości ścianki 0,9 mm i znacznym ściskaniu resztkowym wytrzymały 10 milionów cykli przy 250 MPa, przy zastosowaniu naprężeń przemiennych bez początku pękania. Przy tym samym przyłożonym obciążeniu próbki o niewielkim ściskaniu resztkowym i grubości ścianki 2,0 mm uległy zniszczeniu po 2 milionach cykli. Cieńsza osłona zapewniła pięciokrotnie większą trwałość zmęczeniową korozyjną pomimo zmniejszonej bezwzględnej grubości ścianki.

Kompromis-pomiędzy korzyścią naprężenia szczątkowego a marginesem grubości ścianki
Cienkie{0}}osłony mają przewagę w zakresie zmęczenia korozyjnego, ale w przypadku wystąpienia pęknięcia należy to zrównoważyć z dolnym marginesem materiału. Osłona o grubości 0,9 mm, przy znacznym ściskaniu resztkowym, może być odporna na początek pęknięcia przez miliony cykli. Jednakże, gdy pęknięcie pokona pole naprężeń szczątkowych, na przykład z powodu ogromnego wgłębienia powierzchniowego lub krótkiego przeciążenia, wystarczy, że rozejdzie się przez 0,9 mm materiału, aby spowodować perforację. Osłona o grubości 2,0 mm z mniejszym ściskaniem resztkowym może wywołać pęknięcie po mniejszej liczbie cykli, ale pęknięcie musi przejść przez głębokość 2,0 mm, aby spowodować uszkodzenie. Całkowity czas życia do awarii jest sumą czasu inicjacji i czasu propagacji. Wyniki testu zmęczenia korozyjnego belki obrotowej w wodzie morskiej o temperaturze 60°C służą do zilustrowania następujących całkowitych cykli do zniszczenia dla osłon o średnicy zewnętrznej 10 mm OD 316 przy naprężeniu zmiennym 200 MPa. Osłona o grubości 0,8 mm miała w sumie 12 milionów cykli (11,5 miliona startów, 0,5 miliona propagacji). Osłona o grubości 1,2 mm wykonała 8 milionów cykli (1 milion propagacji, 7 milionów początków). 5 milionów cykli (3 miliony początków, 2 miliony propagacji) dla osłony o średnicy 1,6 mm. Osłona o grubości 2,0 mm przetrwała 3,5 miliona cykli (1,5 miliona inicjacji, 2 miliony propagacji). Margines propagacji jest niewielki, ale silne ściskanie resztkowe cienkościennej-osłony skutkuje długą żywotnością.

Matryca wyboru trwałości zmęczeniowej w środowisku morskim
Poniższa tabela przedstawia zalecane grubości ścianek płaszcza 316 dla elektrycznych grzałek zanurzeniowych do użytku morskiego, w zależności od szacowanej amplitudy naprężeń cyklicznych i niezbędnej żywotności. Wartości dotyczą ciągłego narażenia na działanie wody morskiej lub słonawej o temperaturze 30–60 stopni, a także normalnych technik kształtowania bez wyżarzania końcowego.

Oczekiwana amplituda naprężenia cyklicznego Wymagany okres użytkowania Zalecana grubość ścianki osłony 316 Dominujący tryb uszkodzenia Uzasadnienie projektu
Niski (< 50 MPa) > 10 years 1.2 – 1.6 mm Crevice corrosion Residual stress benefit less essential. Corrosion allowance drives thickness
Umiarkowane (50 – 150 MPa) 5 – 10 lat 1,0 – 1,2 mm Inicjacja zmęczenia korozyjnego Cienka ścianka zapewniająca wysokie ściskanie resztkowe, aby uniknąć pęknięć
Umiarkowane (50 – 150 MPa) > 10 lat 1,4 – 1,6 mm z wyżarzaniem-po kształtowaniu Rozprzestrzenianie się po inicjacji Wyżarzanie zmniejsza korzyści wynikające z naprężeń szczątkowych; polegać na marginesie grubości
Wysoka (150 – 250 MPa) 3 – 5 lat 0,8 – 1,0 mm Inicjacja zmęczenia korozyjnego Wymagane maksymalne ściskanie resztkowe; akceptowalny krótszy okres użytkowania.
Wysoka (150 – 250 MPa) > 5 lat Nieopłacalne dla 316LOPrzeciążenie lub szybkie pękanie. Ulepsz do Incoloy 825 lub tytanu
Zmienna przy częstych przeciążeniach Dowolna propagacja 1,6 – 2,0 mm po nieoczekiwanym pęknięciu Margines grubości chroni przed zdarzeniami stochastycznymi
W zastosowaniach, w których naprężenia cykliczne są wywoływane przez wibracje, cykliczne rozszerzanie cieplne lub zmiany ciśnienia, ważna jest możliwość pomiaru lub oszacowania amplitudy naprężenia. W przypadku braku pomiaru, rozsądnym ustawieniem domyślnym jest umiarkowany poziom naprężenia wynoszący 100 MPa. W takich przypadkach grubość ścianki wynosząca 1,2 mm zapewnia optymalny kompromis pomiędzy przewagą naprężeń szczątkowych a marginesem propagacji. Inżynierowie powinni również rozważyć zalecenie-wyżarzania końcowego w przypadku grubych-powłok stosowanych w zastosowaniach-wymagających dużej liczby cykli. Wyżarzanie w temperaturze 1050 stopni całkowicie usuwa naprężenia szczątkowe, a tym samym korzyści wynikające ze zmęczenia korozyjnego cienkich ścian, ale także resztkowe naprężenia rozciągające na powierzchni wewnętrznej, które mogą prowadzić do propagacji pęknięć. Wyżarzona osłona o grubości 1,6 mm ma podobną całkowitą trwałość zmęczeniową- jak niewyżarzana osłona o grubości 1,2 mm, co stanowi alternatywne podejście do osiągnięcia długiej żywotności bez konieczności stosowania cienkich ścianek. Zdolność produkcyjna i koszt są funkcją wąskich ścian z wysokimi naprężeniami szczątkowymi lub grubymi ścianami po wyżarzaniu. W większości zastosowań morskich, w których występują wibracje, ale nie są one poważne, grubość ścianki 1,2–1,4 mm przy normalnym tłoczeniu zapewni niezawodne działanie zmęczeniowe korozyjne bez dodatkowej obróbki.