Pod jaką konkretną wartością naprężenia szczątkowego rozciągającego następuje przejście płaszcza grzejnika ze stali nierdzewnej 316 z stanu pasywnego do inicjacji pęknięcia w 500 ppm wody chlorkowej w temperaturze otoczenia 25 stopni

Naprężenie progowe dla chlorku SCC w temperaturze pokojowej

W przypadku elektrycznych rur grzewczych w osłonie ze stali nierdzewnej 316 w wodzie zawierającej chlorki w temperaturze otoczenia (25 stopni) w zastosowaniach takich jak nieogrzewane zbiorniki magazynujące, systemy cyrkulacji zimnej wody lub urządzenia sezonowe, ryzyko pękania korozyjnego naprężeniowego (SCC) jest ogólnie uważane za niskie, ponieważ SCC austenitycznych stali nierdzewnych zazwyczaj wymaga temperatury powyżej 60 stopni. Jednakże późniejsze niepowodzenia w terenie i eksperymenty laboratoryjne wykazały, że 316 może pękać w temperaturze 25 stopni w wodzie chlorkowej o stężeniu 500 ppm w obecności odpowiedniego naprężenia szczątkowego rozciągającego, ale naprężenie progowe jest znacznie wyższe niż w podwyższonych temperaturach. Kluczowym parametrem jest szczątkowe naprężenie rozciągające powstałe podczas produkcji (ciągnienie, zginanie, prostowanie) plus wszelkie dodatkowe naprężenia. W temperaturze 25°C nie obserwuje się pękania poniżej naprężenia progowego rzędu 80-90% granicy plastyczności materiału (165-185 MPa dla wyżarzonego 316 przy granicy plastyczności 205 MPa). Jeśli naprężenia przekraczają ten poziom, po długich okresach indukcji (6 miesięcy do 2 lat) powstają pęknięcia, które rosną powoli, a po 2-5 latach następuje awaria. W tym artykule podano próg SCC w temperaturze pokojowej wynoszący 316 osłon w wodzie chlorkowej o stężeniu 500 ppm.

Mechanizm SCC w niskiej-temperaturze

Aby uzyskać SCC stali nierdzewnej 316 w chlorku, wymagane są trzy warunki: podatna mikrostruktura (zwykle zawierająca pewną ilość pracy na zimno), utrzymujące się naprężenie rozciągające i jony chlorkowe. W wysokich temperaturach (80{11}}150 stopni) SCC jest spowodowane szybkim transportem chlorków, powolnym tempem repasywacji i agresywną chemią na końcu pęknięcia. W temperaturze 25 stopni energia aktywacji SCC nie wynosi zero, ale kinetyka jest znacznie wolniejsza. Główna różnica polega na tym, że próg naprężenia pękania znacznie wzrasta wraz ze spadkiem temperatury. Dzieje się tak ze względu na wzrost krytycznej szybkości odkształcania końcówki pęknięcia przy aktywnym rozpuszczaniu, co wymaga stosowania większych naprężeń. Wyżarzony 316 w temperaturze 25°C w 500 ppm Cl- ma naprężenie progowe około 165-185 MPa (wydajność 80-90%). Obrabiany na zimno 316 ma niższe naprężenia progowe, ponieważ materiał ma wyższą granicę plastyczności, ale także zwiększoną gęstość dyslokacji i prawdopodobnie pewną ilość martenzytu, który działa jako miejsca inicjacji pęknięć.

25 stopni, 500 ppm chlorku określiło progi dla SCC

Poniższe zależności progowe ustalono na podstawie testów stałego obciążenia stali nierdzewnej 316 (próbki zginania w kształcie U-i pierścienia C-) w wodzie chlorkowej o stężeniu 500 ppm (pH 7,0, napowietrzona) w temperaturze 25 stopni przez okres do 24 miesięcy (17 520 godzin).

Stan materiału Granica plastyczności (0,2% przesunięcia, MPa) 25 stopni SCC Naprężenie progowe w 500 ppm Cl- (MPa) Próg jako % czasu plastyczności do inicjacji pęknięcia na progu +10% (godziny) Ocena ryzyka SCC – 25 stopni
Całkowicie wyżarzone (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10 000Bardzo niska
Lekka praca na zimno (10-15%) 280 200-230 70-80% 5 000-10 000 Niska
Umiarkowana praca na zimno (15-20%) 350 230-260 65-75% 2 000-5 000 Umiarkowana
Ciężka praca na zimno (20-25%) 420 250-280 60-70% 1000-2000 Wysoka
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90% 500-2000 (w zależności od przeciążenia) Wysoka
Próg temperatury pokojowej w funkcji stężenia chlorków

Naprężenie progowe zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości chlorków. Naprężenie progowe dla wyżarzonego w 25 stopniach materiału 316 w funkcji zawartości chlorków podano w poniższej tabeli.

Stężenie chlorków (ppm) Naprężenie progowe dla SCC w 25 stopniach (MPa, wyżarzane 316) Czas do inicjacji pęknięcia na poziomie progowym +10% (godziny) Zalecana wartość graniczna projektowa<100 >205 (no cracking at yield) >50 000 (bez niebezpieczeństwa) Nieograniczona
100-200 190-205 20,000-50,000 Bardzo niskie ryzyko.
200-500 175-190 10,000-20,000 Dopuszczalne przy zarządzaniu stresem szczątkowym
500-1000 160-175 5000-10000 Naprężenie szczątkowe<70% yield needed 1000-2000 140-160 2000-5000Stress Relief Recommendations 2,000-5,000 110-140 1,000-2,000 316 Not recommended for continuous stress >5,000 <110 <1,000 316 Not recommended; upgrade alloy
Praktyczne ograniczenia naprężeń szczątkowych w przypadku zimnej wody

Maksymalne wartości graniczne naprężeń szczątkowych podano dla 316 grzejników płaszczowych w wodzie zawierającej chlorek (200 - 1 000 ppm) w temperaturze otoczenia (25 stopni).

Stężenie chlorków (ppm) Maksymalne naprężenie szczątkowe (MPa) przez 10-lat życia Równoważna granica pracy na zimno Zalecana obróbka po formowaniu<200 <205 (full yield) Any None Required
200-500 <150 <25% cold work None for straight portions
200-500 <120 (at bends) <15% extra bend stressStress alleviation for tight bends ( R/D<3)
500-1,000 <120 <15% cold work Stress relief 400oC 1 hr
500-1,000 <100 (at bends) <10% extra strainFull solution anneal after bending >1,000 <80 <5% cold work (just annealed) Full solution anneal necessary
Wykrywanie terenowe SCC w temperaturze otoczenia

W przypadku awarii grzejnika 316 w temperaturze 25 stopni chlorku (200-1000 ppm Cl-) pęknięcia SCC zwykle pojawiają się po 1-3 latach ciągłego lub przerywanego użytkowania. Pęknięcia są przezkrystaliczne (przez ziarna) i rozgałęzione, podobnie jak SCC wysokotemperaturowe, ale często są krótsze i mniej rozległe. Powierzchnia pęknięcia może wykazywać oznaki stopniowego rozprzestrzeniania się pęknięć (znaki na plaży) i niewielką ilość produktów korozji. Często początek znajduje się w miejscu znacznych naprężeń szczątkowych: zewnętrznym promieniu krzywizny, przekroju ciągnionym na zimno ze znaczną redukcją lub strefie wpływu ciepła spoiny. Gdy uszkodzony odcinek jest mierzony pod kątem naprężeń szczątkowych metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich, wartości zazwyczaj przekraczają 150-180 MPa. W przypadku takich awarii rozwiązaniem jest wymaganie odprężania po zgięciu (400 stopni przez 1 godzinę) w przypadku przyszłych zakupów, zmniejszając naprężenia szczątkowe do poniżej 100 MPa.

Przypadek specjalny: ekspozycja przerywana a ekspozycja ciągła

Przerywana ekspozycja (cykle suszenia) w temperaturze pokojowej, zawartość chlorków wzrasta podczas suszenia, co prowadzi do przyspieszonego tworzenia się SCC. W wodzie zbiorczej może znajdować się jedynie 500 ppm chlorku. Jednakże grzejnik, który jest okresowo suszony, może wykazywać stężenie chlorków powierzchniowych na linii wodnej rzędu 5 000–10 000 ppm, obniżając w ten sposób naprężenie progowe. W przypadku pracy przerywanej dopuszczalne naprężenie szczątkowe powinno wynosić połowę wartości naprężenia ciągłego.

Wniosek: Kontrola naprężeń szczątkowych w procesie chlorowania otoczenia

Stwierdzono, że SCC w grzejnikach w obudowie ze stali nierdzewnej 316 w wodzie chlorkowej o stężeniu 500 ppm i temperaturze 25 stopni występuje, gdy utrzymujące się naprężenie szczątkowe rozciągające przekracza około 165-185 MPa (80-90% wydajności dla materiału wyżarzonego). Próg tego jest wysoki, ale lokalne naprężenia szczątkowe powstałe w wyniku pracy na zimno (zginanie, ciągnienie itp.) mogą być większe niż 200-300 MPa i wystarczające, aby po 1-3 latach spowodować pękanie w temperaturze pokojowej. W przypadku pracy w chlorkach w temperaturze pokojowej inżynierowie wybierający osłony 316 muszą wziąć pod uwagę odprężanie po formowaniu (400–450 stopni, 1 godzina), aby zmniejszyć naprężenia szczątkowe, gdy chlorek przekracza 500 ppm lub gdy zagięcia są ciaśniejsze niż R/D.=3. W przypadku poziomów chlorków powyżej 1000 ppm w 25 stopniach sugeruje się wyżarzanie z pełnym roztworem lub ulepszenie do stali duplex 2205. Zaproponowane tutaj podejście łączy naprężenia szczątkowe z mierzalnymi progami SCC w temperaturze pokojowej, umożliwiając nabywcom zamówienie osłon 316 odpornych na pękanie chlorkowe nawet w nieogrzewanej pracy.