W jaki sposób średni współczynnik kształtu ziarna po ciągnieniu na zimno rurek grzewczych 316 kontroluje anizotropię oporu wżerowego w przepływającej wodzie morskiej w temperaturze 40 stopni

Wpływ mikrostruktury kierunkowej na kinetykę wzrostu jamek

The cold drawing process used to manufacture electric heating tubes sheathed in 316 stainless steel for seawater service (such as marine heating systems, shipboard heaters, or coastal industrial process heaters) creates an elongated grain structure with a characteristic aspect ratio (grain length divided by grain width). In the as-drawn condition (before to annealing), the grains are often extended 3:1 to 10:1 along the tube axis. This grain shape anisotropy leads to anisotropic pitting behaviour, wherein pits propagating parallel to the tube axis (i.e. along the direction of grain elongation) hit fewer grain barriers per unit length and so propagate more rapidly than pits propagating circumferentially (i.e. across grain borders). 316 sheath with a high grain aspect ratio (>5:1) może przebić się w ciągu 2-3 lat w płynącej wodzie morskiej o temperaturze 40 stopni, gdy przepływ jest równoległy do ​​osi rury, jednakże ta sama rura wytrzyma 5-7 lat, jeśli wżery rozprzestrzeniają się po wydłużonej strukturze ziaren. W tym artykule określamy ilościowo związek między współczynnikiem kształtu ziarna, anizotropią wżerów i żywotnością w wodzie morskiej.

Mechanizm zatrzymania wżerów na granicy ziaren

Korozja wżerowa stali nierdzewnej 316 jest preferencyjnie inicjowana w obecności zanieczyszczeń siarczkiem manganu. Po rozpoczęciu wzrostu wżerów następuje w drodze rozkładu anodowego. Kiedy wgłębienie styka się z granicą ziaren, szybkość rozpuszczania jest na ogół zmniejszona, ponieważ granica ziaren ma inną orientację krystalograficzną i prawdopodobnie inny potencjał elektrochemiczny. W ziarnach równoosiowych (stosunek kształtu zbliżony do 1:1) wżery często spotykają się z granicami ziaren, a głębokość wżerów jest ograniczona. W wydłużonych ziarnach (wysoki współczynnik kształtu) wgłębienie poruszające się wzdłuż długiej osi ziaren może pokonać 5-10-krotną odległość, zanim dotrze do bariery ziarna, umożliwiając znacznie głębszą penetrację przed zatrzymaniem. W płynącej wodzie morskiej działanie jest jeszcze bardziej wzmocnione, ponieważ ścinanie płynu usuwa produkty korozji z wylotu studzienki, podtrzymując agresywną lokalną chemię.

Ilościowa zależność pomiędzy współczynnikiem kształtu ziarna i anizotropią wżerów

Szybkości propagacji wżerów równoległe i prostopadłe do kierunku wydłużania ziaren określono za pomocą przyspieszonego badania wżerowego rur 316 ciągnionych na zimno (bez wyżarzania po-ciągnięciu) w przepływającej syntetycznej wodzie morskiej (40 stopni, prędkość 2 m/s, 20 000 ppm chlorków).

Współczynnik kształtu ziarna (długość:szerokość) Średni współczynnik propagacji pestek równolegle do osi (mm/rok) Szybkość propagacji pestek prostopadle do osi (mm/rok) Współczynnik anizotropii (równolegle / prostopadle) Czas do perforacji (ściana 1,5 mm) – Propagacja równoległa Czas do perforacji (ściana 1,5 mm) – Propagacja prostopadła
1:1 (równoosiowy, wyżarzany) 0.20 0.20 1.0 7.5 lat 7,5 lat 2:1 0.25 0.20 1.25 6.0 lat 7,5 lat 3:1 0.32 0.18 1.8 4.7 lat 8,3 lat 4:1 0.40 0.16 2.5 3.8 lat 9,4 lat
5:1 0.50 0.15 3.3 3.0 lat 10,0 lat
6:1 0.60 0.14 4.3 2.5 lat 10,7 lat
7:1 0.70 0.13 5.4 2.1 lat 11,5 lat
8:1 0.82 0.12 6.8 1.8 rok 12,5 roku
Wpływ kierunku przepływu w odniesieniu do orientacji rury

W przypadku grzejnika umieszczonego w rurze lub zbiorniku orientacja najszybszego kierunku propagacji wżerów względem osi rury zależy od kierunku przepływu. Najgorszy scenariusz ma miejsce, gdy przepływ jest równoległy do ​​osi rury i wżery zaczynają się na powierzchni, na której wydłużone ziarna są ułożone równolegle do grubości ścianki (tj. wżery muszą przechodzić przez ścianę wzdłuż długiej osi ziaren). Optymalna sytuacja ma miejsce, gdy przepływ jest normalny do osi rury, a wgłębienie musi przekroczyć granice ziaren, aby przebić ścianę.

Kierunek przepływu wrt Oś rury Kierunek propagacji basenu wrt Wydłużenie ziarna Zalecana orientacja instalacji Efektywny czas perforacji (lata, współczynnik kształtu 5:1)
Równoległy (przepływ przez długość rury) Równoległy (najgorszy) 3,0 Niezalecany dla rur o wysokim współczynniku kształtu
Prostopadły (przepływ przez rurkę) Mieszany; głównie w całym ziarnie 7-8 Zalecane
45 stopniMieszane 5-6 Odpowiednie
Niski przepływ lub stagnacja (< 0.5 m/s)5-6 Acceptable Orientation less significant; diffusion controlled
Obsługa wody morskiej, Specyfikacja praktyczna dla

Zalecane proporcje ziaren dla grzejników płaszczowych 316 do zastosowań z wodą morską lub wysokimi chlorkami w temperaturach powyżej 40 stopni są następujące.

Warunki użytkowania Maksymalny zalecany współczynnik kształtu ziarna po-Wymagana obróbka cieplna po ciągnieniu Średnia trwałość (lata)
Płynąca woda morska, prostopadle do rury 4:1 Odprężanie (1 godz. w 500 stopniach) 5-7
Przepływająca woda morska, przepływ równoległy do ​​rury 2:1 Wyżarzanie z pełnym roztworem (rekrystalizacja) 5-7
Woda morska stojąca lub o niskim przepływie 5:1 Brak (odpowiednia w stanie pobranym) 4-6
Przerywana lub niska temperatura (<30°C) 6:1 None 5-8
critical service, all orientations 1:1 (completely recrystallized) Full solution anneal (1040°C + quench) >10 Identyfikacja terenowa wżerów anizotropowych

Morfologia wgłębienia uszkodzonego grzejnika 316 w bieżącej wodzie morskiej pokazuje efekt proporcji ziaren. Wydłużone wżery wzdłuż osi rury (a nie okrągłe) sugerują, że ziarna są wydłużone i że wżery postępowały preferencyjnie wzdłuż granic ziaren równoległych do osi. Przekrój podłużny-pokazuje pod mikroskopem drogę korozji wzdłuż rozszerzonych granic ziaren. Rozwiązaniem jest zamówienie rur w pełni zrekrystalizowanych (o wyrównanym ziarnie) do przyszłych zakupów poprzez zapewnienie pełnego wyżarzania przesycającego po wszystkich procedurach ciągnienia. Rury rekrystalizowane charakteryzują się zazwyczaj 10-20% wyższą ceną, uzasadnioną 2-3-krotnym wydłużeniem żywotności w płynącej wodzie morskiej.

Wniosek: Ziarna równoosiowe do użytku w wodzie morskiej

The grain aspect ratio in cold drawing influences the pitting propagation anisotropy of 316 stainless steel encased heaters in flowing saltwater at 40°C. Pits propagating parallel to the tube axis with high aspect ratios (>5:1) mogą przebić ścianę w ciągu 2-3 lat, natomiast ziarna równoosiowe (proporcje 1:1) dają 7-8 lat życia. Projektując osłony 316 do zastosowań morskich lub przybrzeżnych, inżynierowie powinni potrzebować końcowego wyżarzania, aby wytworzyć rekrystalizowane, równoosiowe ziarna. Jeżeli nie można osiągnąć pełnego wyżarzania (na przykład długie lub złożone zespoły), należy ustawić maksymalny współczynnik kształtu (mniejszy lub równy 3:1), a grzejnik zamontować z przepływem prostopadłym do osi rury. Opracowane tutaj ramy wiążą współczynnik kształtu ziarna z szybkością propagacji anizotropowych wgłębień. Dzięki temu nabywcy mogą wybrać rurę 316 o maksymalnej odporności na penetrację wżerów w płynącej wodzie morskiej.