W jaki sposób profil naprężeń szczątkowych powstały w wyniku prostowania rur osłon grzejników ze stali nierdzewnej 316 zmienia próg pękania korozyjnego naprężeniowego chlorku

Niezamierzone źródło: Naprężenia powierzchniowe rozciągające powstałe w procesie prostowania.

Prostowanie rolkowe jest często ostatnim etapem procesu produkcyjnego rur do ogrzewania elektrycznego w osłonie ze stali nierdzewnej 316 przed ich przycięciem na odpowiednią długość i wygięciem. Ta procedura usuwa krzywiznę z-ciągnionej (lub-wyżarzanej) rury, przepuszczając ją przez przesunięte rolki i wprowadza skomplikowany profil naprężeń szczątkowych na powierzchnię rury. Naprężenia szczątkowe rozciągające o wartości 50-200 MPa wprowadza się na zewnętrzne 50-150 µm ścianki osłony po stronie rozciągającej każdego punktu styku rolki prostującej. Te szczątkowe naprężenia rozciągające zwiększają stosowane naprężenia obwodowe w wyniku rozszerzalności cieplnej i ciśnienia wewnętrznego w środowiskach zawierających chlorki w podwyższonej temperaturze (powyżej 60 stopni), aby wywołać pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC) przy naprężeniach, które byłyby bezpieczne dla materiału odprężonego. W artykule oceniano korelację pomiędzy naprężeniami szczątkowymi wynikającymi z prostowania, poziomem chlorków i czasem inicjacji SCC, a także podano limity specyfikacji dla łagodzenia naprężeń po prostowaniu w warunkach korozyjnych.

Mechanizm prostowania wywołujący naprężenia powierzchniowe

Rury ze stali nierdzewnej są prostowane na rolkach poprzez przejście pomiędzy szeregiem przesuniętych rolek, które plastycznie odkształcają rurę w naprzemiennych kierunkach. Odkształcenia rozciągające zewnętrznych włókien rury zazwyczaj mieszczą się w zakresie od 0,5% do 2,0% w zależności od krzywizny początkowej i przesunięcia walca prostującego. Wymuszone odkształcenie plastyczne przy rozciąganiu wynoszące 0,5% w wyżarzonej stali nierdzewnej 316 o granicy plastyczności około 205 MPa odpowiada naprężeniu szczątkowemu wynoszącemu 150–200 MPa (75–100% granicy plastyczności). Rozkład naprężeń szczątkowych jest dość lokalny: największe naprężenia widoczne są w cienkiej warstwie powierzchniowej (głębokość 20-100 µm), ponieważ odkształcenie prostowania jest głównie sprężyste w rdzeniu rury i plastyczne tylko na powierzchni. Pęknięcia zarodkują się na powierzchni i wrastają w pole naprężeń szczątkowych objętości. Ta cienka, silnie obciążona warstwa jest idealna do inicjacji SCC. Zwykle kierunek naprężeń własnych jest osiowy (wzdłuż długości rury) na powierzchniach rury stykających się z rolkami, przy czym naprężenia obwodowe występują na krawędziach styku rolek. Osiowe naprężenia szczątkowe są szczególnie problematyczne w przypadku osłony grzejnika, ponieważ mają ten sam kierunek, co naprężenia obwodowe spowodowane ciśnieniem wewnętrznym, przy czym oba naprężenia sumują się do naprężenia rozciągającego netto, które przyspiesza rozwój pęknięć.

Ilościowe zmniejszenie progu SCC w wyniku naprężeń prostujących

Systematyczne testy rurek 316 we wrzącym chlorku magnezu (154 stopnie, znormalizowany test SCC) pokazują, że wyprostowane rurki bez odprężania po-prostowaniu nie działają w ciągu 20-50 godzin pod przyłożonym naprężeniem 200 MPa. Ta sama rura w stanie odprężonym (naprężenie szczątkowe poniżej 30 MPa) wytrzymuje ponad 500 godzin. W warunkach eksploatacyjnych stosowanych w przypadku grzałek zanurzeniowych - 90 stopni wody z zawartością chlorków 1000 ppm — wynik jest taki, że. 316 osłony ze zmniejszonymi naprężeniami wytrzymują chlorki o stężeniu 1000 ppm przez 5–8 lat bez SCC. Wyprostowane osłony ze szczątkowymi odkształceniami powierzchniowymi większymi niż 150 MPa spowodują pęknięcia SCC w ciągu 12–24 miesięcy przy tym samym poziomie chlorków. Osłony poddane odprężeniu będą trwać wiecznie przy 500 ppm chlorku. Wyprostowane osłony pękną za 3-5 lat. Kluczową kombinacją progową inicjacji SCC bez zastosowania sił prostujących jest 60 stopni i 300 ppm chlorku. Powyżej 80 stopni połączenie dowolnego stężenia chlorków powyżej 200 ppm z naprężeniami szczątkowymi prostowania przekraczającymi 100 MPa ostatecznie doprowadzi do SCC. Poniższa tabela przedstawia czas do inicjacji SCC jako funkcję resztkowego napięcia powierzchniowego, stężenia chlorku i temperatury.

Naprężenie resztkowe powierzchniowe po prostowaniu (MPa) Stężenie chlorków (ppm) Temperatura powłoki (stopnie) Czas do inicjacji pęknięcia SCC (godziny pracy) Czas do perforacji (ściana 1,5 mm) Zalecane działanie<30 (stress relieved) 1000 90 >70,000 (>8 years) >80 000 Do przyjęcia<30 (stress relieved) 2000 80 >50,000 >60 000Dopuszczalne z monitorowaniem 50-100 (łagodne prostowanie) 500 90 20,000-30 000 (2,5-3,5 lat) 25 000-40 000 Marginalne; Zalecane odprężenie
50-100 (lekkie wyprostowanie) 1000 80 15,000-20 000 (1,7-2,3 lat) 18 000-25 000 Niezalecany do ciągłego stosowania 100-150 (umiarkowane prostowanie) 300 90 10,000-15 000 (1,1-1,7 lat) 12 000-18 000 Niedopuszczalne powyżej 80 stopni 100-150 (umiarkowane prostowanie) 500 80 8,000-12 000 (0,9-1,4 lat) 10 000-15 000 Niedopuszczalne
150-200 (silne prostowanie) 200 90 3,000-6,000 (4-8 miesięcy) 4,000-8,000 Niedopuszczalne dla żadnego chlorku
150-200 (silne prostowanie) 500 70 5, 000-10 000 (7-14 miesięcy) 6 000-12 000 Wymień na rurkę odprężoną
Wykrywanie i usuwanie naprężeń szczątkowych podczas prostowania

Nabywcy, którzy wybierają grzejniki w obudowie 316 do użytku z chlorkiem, mają trzy sposoby sprawdzenia stanu naprężeń szczątkowych po prostowaniu. Pierwszą z nich jest standardowa praktyka ASTM G38 dotycząca produkcji próbek z wygięciem w kształcie litery U. Część otrzymanej rurki jest zginana pod kątem 180° na trzpieniu i zanurzana we wrzącym chlorku magnezu. Jeżeli pękanie wystąpiło w ciągu 100 godzin, naprężenie szczątkowe powstałe w wyniku prostowania było wystarczające, aby spowodować SCC bez przyłożonego naprężenia. Drugą techniką jest wykrywanie-dyfrakcji promieni rentgenowskich (XRD) naprężeń szczątkowych na powierzchni rury. Wartości powyżej 100 MPa sugerują, że zalecana jest redukcja naprężeń po prostowaniu. Trzecią i najłatwiejszą metodą jest-tzw. „test ferroksylowy” (trawienie kwasem{{15}siarczanem miedzi), który pokazuje obszary o znacznych naprężeniach szczątkowych w postaci ciemniejszych wzorów trawienia. Odkształcenia szczątkowe poniżej 30 MPa w przypadku grzejników przeznaczonych do pracy w temperaturze powyżej 70 stopni z zawartością chlorków powyżej 200 ppm uzyskuje się przez wyżarzanie odprężające po-prostowaniu w temperaturze 400–500 stopni przez 1–2 godziny. Wyżarzanie z pełnym roztworem (1040 stopni) całkowicie usuwa naprężenia szczątkowe, ale może powodować odkształcenie rurki i jest zwykle zalecane tylko do zastosowań krytycznych. Kupujący mogą potrzebować weryfikacji odprężania przeprowadzonej przez dostawcę rur po wyprostowaniu (lub sprawdzenia, czy prostowanie nie jest wykonywane na rurach wyżarzonych), co zapewnia wykonalną gwarancję jakości.

Identyfikacja w domenie SCC na podstawie pozostałości prostowania

Przyczynę pozostałości prostowania można rozpoznać po kształcie pęknięć, gdy grzejnik ulegnie awarii w wyniku SCC. Pęknięcia zwykle powstają na prostych odcinkach powłoki, a nie na zagięciach lub spoinach, na skutek naprężeń powstałych podczas prostowania. Mają one zwykle charakter podłużny (tj. są równoległe do osi rury) i mogą występować w szeregu równoległych linii oddzielonych od siebie o 5–15 mm, co odpowiada wzorowi styku rolek. Pęknięcia są przezkrystaliczne (przekraczają granice ziaren) dla 316 w środowiskach chlorkowych powyżej 80°C pod powiększeniem z typowym rozgałęzieniem SCC. Powierzchnia pęknięcia nie jest zbyt plastyczna. Jeśli uszkodzony grzejnik pochodzi z partii, która nie została odprężona po prostowaniu, a warunki pracy obejmują chlorki powyżej 300 ppm w temperaturach powyżej 70 stopni, podstawową przyczyną są prawdopodobnie naprężenia szczątkowe powstałe w wyniku prostowania. Wszystkie pozostałe grzejniki należy wycofać z eksploatacji lub zmodyfikować, stosując obróbkę odprężającą, jeśli jest to możliwe w przypadku takich instalacji.

Wnioski: Definicja kontroli naprężeń szczątkowych w procesie chlorowania

Profil naprężenia szczątkowego wprowadzony do rur ze stali nierdzewnej 316 po prostowaniu za pomocą walców jest ukrytą zmienną, która może obniżyć próg SCC chlorków od 3 do 5 razy. Środowisko gorącego chlorku spowoduje pęknięcie rury z resztkowymi odkształceniami powierzchniowymi powyżej 100 MPa w ciągu 1-2 lat przy ustawieniach, w których rura złagodzona naprężeniami wytrzyma 5–10 lat. W przypadku każdej usługi obejmującej chlorki powyżej 200 ppm i temperatury powyżej 70 stopni inżynierowie określający grzejniki płaszczowe 316 muszą wymagać jednego z następujących elementów: odprężania po prostowaniu (400-500 stopni przez 1-2 godziny) lub certyfikatu potwierdzającego, że rura została wyprostowana w stanie całkowicie wyżarzonym, z przesunięciem rolek ustawionym w celu zminimalizowania naprężeń szczątkowych. Proponowane ramy można zastosować w celu zapobiegania wczesnym uszkodzeniom związanym z pękaniem, które powszechnie przypisuje się „jakości materiału”, ale w rzeczywistości są one spowodowane niezarządzanymi naprężeniami szczątkowymi związanymi z prostowaniem rur, poprzez powiązanie procesu prostowania z mierzalnymi czasami inicjacji SCC.