Pod jaką konkretną kombinacją naprężeń szczątkowych i stężenia chlorków płaszcz grzejnika 316L w temperaturze otoczenia (25 stopni) w wodzie basenowej powoduje powstawanie pęknięć korozyjnych naprężeniowych po 5 latach użytkowania

Próg długotrwałego-zanurzenia SCC w niskiej-temperaturze

The likelihood of stress corrosion cracking (SCC) is normally regarded as insignificant for 316L stainless steel sheathed electric heating tubes placed in ambient temperature (25°C) swimming pool water or other unheated chloride-containing pools (spas, decorative fountains, cooling ponds, fire suppression storage tanks). SCC of austenitic stainless steels generally requires temperatures above 50-60°C. However, long term immersion (5+ years) in pool water with 500-2,000 ppm chloride (typical for chlorinated pools) combined with sustained tensile residual stresses from manufacturing (drawing, bending, straightening) can initiate SCC at room temperature, but with much longer induction times. The key combination is residual stress greater than around 70-80% of the yield strength of the material (140-165 MPa for annealed 316L with 205 MPa yield) and chloride concentration greater than 1,000-1,500 ppm. SCC cracking initiated at 2000 ppm Cl- and residual stress >150 MPa w ciągu 3-5 lat z propagacją do perforacji w ciągu 6-10 ​​lat. Przy niższych chlorkach (500-800 ppm) naprężenie szczątkowe musi być wyższe niż 180-190 MPa, aby doszło do pęknięcia. W tym artykule określono ilościowo próg resztkowego chlorku naprężenia dla SCC w temperaturze pokojowej w 316L po długotrwałym (5+ roku) zanurzeniu.

Mechanizm niskotemperaturowego SCC z długim czasem indukcji

Kinetyka chlorku SCC w temperaturze otoczenia (25 stopni) jest o około dwa rzędy wielkości wolniejsza niż w temperaturze 80-100 stopni. Czas indukcji inicjacji pęknięcia jest powiązany z równaniem Arrheniusa z energią aktywacji 60-80 kJ/mol. Wraz ze spadkiem temperatury wzrasta naprężenie progowe dla SCC; przy 25 stopniach próg jest wyższy (70-85% wydajności) niż przy 80 stopniach (50-60%). Jednak pęknięcia mogą nadal pojawiać się przez wiele lat, jeśli ciągłe naprężenia szczątkowe przekraczają próg. Mechanizm wymaga lokalnej degradacji warstwy pasywnej w miejscach narażonych na duże naprężenia (stopnie ślizgowe, granice międzyfazowe-matryca inkluzyjna) oraz w obecności agresywnej lokalnej chemii (wysokie chlorki, niskie pH) w obrębie rosnącego pęknięcia. Dyfuzja w temperaturze pokojowej jest wolniejsza, ale jest wystarczająco dużo czasu (lat) na wytworzenie wymaganych gradientów stężeń.

Ilościowe naprężenie szczątkowe - 5-rok Wartości progowe chlorków inicjacji SCC

Progi naprężeń szczątkowych dla inicjacji pęknięć w ciągu 5 lat, określone na podstawie kontrolowanych badań przy stałym obciążeniu próbek zginania U-i pierścienia C-316L w roztworach chlorków w temperaturze 25 stopni przez okres 5 lat (43 800 godzin) wynoszą:

Stężenie chlorków (ppm) Minimalne naprężenie resztkowe dla inicjacji SCC w ciągu 5 lat (MPa) Naprężenie jako% plastyczności (205Mpa) Czas do inicjacji pęknięcia (godziny) Próg+20 MPaCzas do perforacji po inicjacji (ściana 1,5 mm, godziny) Zalecany dla 5-letniego okresu użytkowania<200 >250 (no cracking at yield) >120% No cracking N/A Yes 200-500 190-210 93-102% 35,000-45,000 >50 000 Tak (z monitoringiem)
500-800 170-190 83-93% 30,000-40,000 40,000-60,000 Acceptable 800-1,200 150-170 73-83% 25,000-35,000 30,000-50,000 Marginal 1,200-1,500 140-160 68-78% 20,000-30,000 25,000-40,000Not recommended 1,500-2,000 130-150 63-73% 15,000-25,000 20,000-35,000 No 2,000-3,000 120-140 59-68% 10,000-20,000 15,000-30,000 No >3,000 <120 <59% <10,000 <15,000 Unacceptable
Wpływ pracy na zimno na powstawanie naprężeń szczątkowych

Źródło i rozkład naprężeń szczątkowych wpływają na podatność na SCC. Zginanie wprowadza naprężenia szczątkowe (zlokalizowane na zewnętrznym promieniu zgięć), które są bardziej szkodliwe niż te uzyskane przy ciągnieniu równomiernym, ponieważ gradient naprężeń jest bardziej stromy, a naprężenie szczytowe jest większe.

Źródło naprężenia szczątkowego Typowe naprężenie maksymalne (MPa) Próg rozkładu naprężeń dla chlorków przez 5 lat SCC (ppm) Serwis basenowy Sugerowany współczynnik promienia zgięcia (R/D)
Roller (straightening) 50-150Surface, axial >2000 NA
Ciągnienie (praca na zimno) 100-250 Jednolite, osiowe 1500-2500 Nie dotyczy
Bending (R/D=2) 200-400 (tension face)Localised, hoop 500-1,000 >Zalecane 3.0
Bending (R/D=3) 150-250Localised 800-1,500 >2,5 akceptowalne
Bending (R/D=4) 100-180 Localised 1,200-2,000 >2,0 marginalne
Spawanie (zaślepka) 100-300 Miejscowe HAZ 500-1500 N/A (zalecana jest relaksacja naprężeń po spawaniu)
Praktyczne zalecenia dotyczące zastosowań w podgrzewaczach wody w basenie

Ograniczenia naprężeń szczątkowych i metody kontroli chlorków dla grzejników płaszczowych 316L w temperaturze otoczenia (25 stopni) w basenie lub wodzie spa są następujące.

Typ basenu Typowa zawartość chlorków (ppm) Zalecane maksymalne naprężenie szczątkowe (MPa) Wymagana obróbka po-formowaniu Żywotność grzejnika (lata) Oczekiwana
Basen ze słodką wodą (niski Cl)<500 <200 (acceptable as-drawn)>10 Brak
Basen chlorowany (standard) 500-1500<150 Stress relief (400°C, 1h) for bends R/D <3 5-8
Basen ze słoną wodą (elektroliza) 1500-5000 < 100 3-5 Wyżarzanie całego roztworu po zgięciu
Salt water pool (high Cl) >5000 <50 (316L not recommended) Upgrade to duplex 2205 5-8 (with duplex)
Spa (brom/chlor, 35-40 stopni) 500-2000<120 Stress release + electropolish 4-6 Room Temperature SCC Field Identification

Jeśli grzejnik 316L ulegnie uszkodzeniu w otaczającej wodzie basenu po 3-8 latach użytkowania, należy wziąć pod uwagę SCC w temperaturze pokojowej, jeśli pęknięcia są przezkrystaliczne, rozgałęzione i w obszarach znacznych naprężeń szczątkowych (zewnętrzny promień zgięcia, wyprostowane sekcje lub spawanie HAZ). Na powierzchni pęknięcia mogą pojawiać się plamy plażowe w postaci stopniowej propagacji pęknięć. Zapisy dotyczące składu chemicznego wody powinny wskazywać zawartość chlorków > 1000-1500 ppm. Przyszłe zakupy powinny wymagać obróbki naprężenia po zgięciu (400–450 stopni przez 1–2 godziny), aby zminimalizować naprężenia szczątkowe poniżej 100–120 MPa w przypadku podobnych awarii.

Wniosek: długoterminowa-odporność na SCC w temperaturze pokojowej dzięki zarządzaniu naprężeniami szczątkowymi

For 316L stainless steel heater sheaths in ambient (25°C) pool water with chloride concentrations of 1,000-1,500 ppm, an ongoing tensile residual stress of 140-160 MPa (65-80% of yield) results in SCC in 5 years. Crack arises at 2000 ppm Cl- with residual stresses >120-140 MPa. Inżynierowie wybierający osłony 316L do basenów, spa lub innych zastosowań z nieogrzewaną wodą chlorkową muszą zmniejszyć naprężenia szczątkowe spowodowane zginaniem (użyj R/D > 3,0 lub zgięcia odprężające pod kątem 400 stopni przez 1 godzinę) i prostowaniem. Jeżeli analiza wody wskazuje na zawartość chlorków > 1500 ppm, należy zastosować duplex 2205 lub tytan w temperaturze otoczenia. Przedstawione tutaj ramy wiążą naprężenia szczątkowe i stężenie chlorków z wymiernymi 5-letnimi progami inicjacji SCC przy 25 stopniach, umożliwiając kupującym określenie procesów produkcyjnych (promienie zgięcia, odprężanie po-zginaniu) i limitów składu chemicznego wody, które zapobiegną pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu przez długi czas indukcji w temperaturze otoczenia.