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 amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1,8 mm) siła kształtowania jest absorbowana głównie w warstwach zewnętrznych, a duże naprężenia ściskające powstają tylko w pobliżu powierzchni zewnętrznej, przy czym warstwy wewnętrzne pozostają stosunkowo nienaruszone. Naprężenia rozciągające na powierzchni wewnętrznej są również zmniejszone ze względu na mniej całkowite zagęszczenie MgO. Badania-dyfrakcji promieni rentgenowskich naprężeń szczątkowych w kształtowanych powłokach 316 potwierdzają tę korelację. Dla osłony ściennej o grubości 0,9 mm powierzchniowe naprężenie ściskające wyniosło -280 MPa. Osłona ścienna o grubości 1,5 mm miała -180 MPa. 2.0 mm powłoka ścienna wykazała zaledwie -120 MPa. Cieńsza osłona ma korzystniejsze naprężenia ściskające na powierzchni zewnętrznej, gdzie zwykle tworzą się pęknięcia zmęczeniowe korozyjne.

Rola szczątkowych naprężeń ściskających w opóźnianiu inicjacji pęknięć korozyjnych zmęczeniowych
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 poziom naprężenia wymaganego do zainicjowania pęknięcia. Jeżeli resztkowe ściskanie powierzchni wynosi -280 MPa, a przyłożone naprężenie cykliczne wynosi +200 MPa, wówczas wypadkowa siła na powierzchni wynosi -80 MPa. Jest to nadal ściskające i nie może zapoczątkować pęknięcia zmęczeniowego. Napięcie netto istnieje tylko wtedy, gdy naprężenie cykliczne przekracza +280 MPa. 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. Badania zmęczenia korozyjnego w syntetycznej wodzie morskiej w temperaturze 60°C 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 ze znacznym ściskaniem resztkowym wytrzymuje inicjację pęknięć przez miliony cykli. Jednakże w przypadku każdego pęknięcia, które przezwyciężyło pole naprężeń szczątkowych, czy to w wyniku wgłębienia o dużej powierzchni, czy też przejściowego przeciążenia, przed perforacją może przejść jedynie 0,9 mm materiału. Osłona o grubości 2,0 mm z mniejszym ściskaniem resztkowym może wywołać pęknięcie w mniejszej liczbie cykli, ale pęknięcie musi rozprzestrzenić się na odległość 2,0 mm, aby spowodować uszkodzenie. Całkowity czas życia do uszkodzenia=Okres inicjacji + czas propagacji Badanie zmęczenia korozyjnego w słonej wodzie w temperaturze 60°C w aparacie z wirującą belką daje następujące całkowite cykle do zniszczenia dla osłon 316 o średnicy zewnętrznej 10 mm przy naprężeniu zmiennym 200 MPa. Osłona o grubości 0,8 mm osiągnęła w sumie 12 milionów cykli, 11,5 miliona na inicjację i 0,5 miliona na propagację. Osłona o grubości 1,2 mm wytrzymała 8 milionów cykli, 7 milionów podczas inicjacji i 1 milion podczas propagacji. Osłona o grubości 1,6 mm wytrzymała 5 milionów cykli (3 miliony na inicjację i 2 miliony na propagację). Osłona o grubości 2,0 mm wytrzymała 3,5 miliona cykli, z czego 1,5 miliona przypadało na inicjację, a 2 miliony na propagację. Cienkościenna-osłona charakteryzuje się najwyższym ściskaniem resztkowym i najdłuższą całkowitą żywotnością, mimo że margines propagacji jest niewielki.

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 w temperaturze 30–60°C, a także normalnych technik kształtowania bez wyżarzania końcowego.

Oczekiwana amplituda naprężenia cyklicznego Wymagana żywotność Zalecana grubość ścianki osłony 316 Dominujący tryb uszkodzenia Uzasadnienie projektu
Niska, poniżej 50 MPa Ponad 10 lat 1,2 – 1,6 mm Korozja w szczelinach Grubość zależna od naddatku na korozję, korzyści w zakresie naprężeń szczątkowych mniej znaczące
Umiarkowane, 50 – 150 MPa 5 – 10 lat 1,0 – 1,2 mm Inicjacja zmęczenia korozyjnego Cienka ścianka zapewnia wysoki stopień ściskania szczątkowego, co zapobiega pękaniu
Umiarkowane, 50 do 150 Mpa 10 lat lub więcej 1,4 – 1,6 mm z wyżarzaniem-po kształtowaniu Rozprzestrzenianie się od początku Wyżarzanie zmniejsza korzyści wynikające z naprężeń szczątkowych; użyj marginesu grubości
Wysoka, 150 – 250 MPa 3 – 5 lat 0,8 – 1,0 mm Inicjacja zmęczenia korozyjnego Akceptacja krótkiej żywotności, niezbędne maksymalne ściskanie resztkowe
High, 150 – 250 MPa>5 lat316 NiemożliwePrzeciążenie lub szybkie pękanie. Wymienić na Incoloy 825 lub tytan
Zmienna przy wielu przeciążeniach Dowolna żywotność 1,6 – 2,0 mm Propag. po nieoczekiwanym pęknięciu Margines grubości chroni przed nieprzewidzianymi zdarzeniami
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. Wybór cienkich ścianek o wysokich naprężeniach szczątkowych lub grubych ścianek z wyżarzaniem zależy od możliwości produkcyjnych i kosztów. W większości zastosowań morskich, gdzie występują wibracje, ale nie są one poważne, normalne kształtowanie zapewni niezawodne działanie zmęczeniowe korozyjne bez dodatkowej obróbki, jeśli grubość ścianki mieści się w zakresie od 1,2 do 1,4 mm.