Jaka maksymalna dopuszczalna głębokość śladów po szlifowaniu powierzchni po bezkłowym wykończeniu rur grzewczych 316 zapobiega inicjacji pęknięć korozyjnych naprężeniowych przy 500 ppm wody chlorkowej w temperaturze 90 stopni

Zadrapanie powierzchniowe jako miejsce koncentracji naprężeń prowadzących do inicjacji SCC

Próg inicjacji pękania korozyjnego naprężeniowego (SCC) w środowisku chlorków dla elektrycznych rur grzejnych w osłonie ze stali nierdzewnej 316, które zostały szlifowane bezkłowo lub polerowane mechanicznie jako końcowa operacja wykańczająca w celu uzyskania wąskich tolerancji średnicy lub gładkich powierzchni, jest bezpośrednio kontrolowany przez głębokość resztkowych śladów szlifowania, zwykle 5-50 µm, w zależności od wielkości ziarna ściernego i prędkości podawania. Każdy znak szlifowania jest geometrycznym koncentratorem naprężeń, z teoretycznym współczynnikiem koncentracji naprężeń (K_t) w zakresie od 1,5 dla gładkiego, płytkiego znaku (głębokość<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 µm, promień korzenia<2 µm). 500 ppm chloride water at 90 oC. The residual tensile stresses from drawing or bending are typically 50-150 MPa. Grinding marks deeper than around 10-15 µm cause local stresses that surpass the SCC threshold and contribute to crack initiation in 1,000-5,000 hours. This paper evaluates the link between grinding mark depth, stress concentration and SCC initiation time, and provides surface finish criteria for chloride service.

Mechanizm inicjacji SCC w karbach powierzchniowych

Pękanie korozyjne naprężeniowe 316 w gorących chlorkach wymaga trzech warunków: podatnej mikrostruktury (zwykle trochę pracy na zimno), długotrwałego naprężenia rozciągającego i agresywnego środowiska chlorkowego. U podstawy znaku po szlifowaniu powierzchni lokalne naprężenie rozciągające wyraża się wzorem $σ_{local}=σ_{applied}×K_{t}$ gdzie $K_{t}$ jest funkcją geometrii znaku (stosunek głębokości do promienia). Typowy ślad po szlifowaniu o głębokości d i promieniu rdzenia ρ daje K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). Płytkie, zaokrąglone wgłębienie (d=5 µm, ρ=10 µm) daje K_t≈1+2×sqrt(0.5)=2.4. W przypadku głębokiego, ostrego znaku (d=20 $\\mu$m, $\\rho$=2 $\\mu$m) szacujemy $K_t\\około 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . W przypadku zastosowanego naprężenia szczątkowego wynoszącego 100 MPa naprężenie lokalne wynosi 240-730 MPa — powyżej granicy plastyczności 205 MPa i sięga daleko w obszar, w którym szybko pojawia się SCC. Pęknięcie zaczyna się od koncentracji naprężeń i postępuje poprzez anodowe rozpuszczanie na końcu pęknięcia, pod wpływem przyłożonego naprężenia, aż do przebicia ściany osłony.

Ilościowy związek między głębokością śladu szlifowania a inicjacją SCC

Kontrolowane badania SCC (ciągłe obciążenie, próbki z-zginania w kształcie U lub pierścienia C-) rur 316 ze śladami szlifowania powierzchni o kontrolowanej głębokości (osiągane poprzez zmianę ziarna ściernego i szybkości podawania) w wodzie chlorkowej o stężeniu 500 ppm w temperaturze 90 stopni ustaliły głębokości niezbędne do rozpoczęcia SCC w określonych okresach czasu.

Maksymalna głębokość śladu po szlifowaniu (µm) Typowa chropowatość powierzchni (Ra, µm) Promień rdzenia znaku (µm, typowo) Współczynnik koncentracji naprężeń (K_t) Czas do inicjacji SCC (godziny, 500 ppm Cl-, 90 stopni, 100 MPa naprężenia szczątkowego) Czas do perforacji (ścianka 1,5 mm po inicjacji) Zalecane dla 500 ppm Cl-, obsługa 90 stopni<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30 000 Tak (odpowiednik elektropolerowany)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10,000-20,000 15,000-25 000 Tak 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5,000-10,000 8,000-15 000 Dopuszczalne 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500-5,000 4,000-8 000 Marginalne 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1,000-2,500 2,000-4,000 Niezalecane
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1,000–2,000 Niedopuszczalne
20-30 1.5-2.0 2-3 6.0-8.0 200-500 400-1,000 Unacceptable30 >2.0 <2 >8.0 <200 <400 Unacceptable 
Wpływ poziomu naprężeń własnych na dopuszczalną głębokość znaku

Dopuszczalna głębokość śladów szlifowania różni się znacznie w zależności od szczątkowych naprężeń rozciągających osłony. Wyższe naprężenia szczątkowe wymagają płytszych oznaczeń, aby zapobiec SCC. Maksymalną dopuszczalną głębokość znaku dla wielu poziomów naprężeń szczątkowych, 500 ppm Cl⁻, 90 stopni, przedstawiono w poniższej tabeli.

Resztkowe naprężenie rozciągające (MPa) Maksymalna dopuszczalna głębokość śladu szlifowania przez 10 000- godzin Trwałość bez SCC (µm) Wymagana chropowatość powierzchni (Ra, µm) Zalecana metoda wykańczania<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (rysunek)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (umiarkowany rysunek)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (-wygięty, bez odprężania)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Praktyczny serwis specyfikacji wykończeń chlorkowych

Poniższe kryteria wykończenia powierzchni są zalecane dla grzejników płaszczowych 316 do pracy w wodzie chlorkowej powyżej 200 ppm w temperaturach powyżej 80 stopni w oparciu o szacunkowy stan naprężeń szczątkowych.

Metoda obróbki końcowej Maksymalna głębokość znaku szlifowania Maksymalna metoda sprawdzania Ra Stan naprężenia szczątkowego
Odprężony (wyżarzany po formowaniu) Szlifowany bezkłowo, ziarnistość 400-600 10 µm 0,5 µm Wizualny + profilometr 50×
W stanie ciągnionym lub wygiętym (bez zmniejszania naprężeń) Drobno oszlifowany + łagodny połysk 5 µm 0,3 µm Profilometr
Wysokie chlorki Po wyciągnięciu Po ​​zgięciu Elektropolerowanie (usunąć 20-30 µm)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Dowolne, do zastosowań krytycznychElektropolerowanie + pasywacja0 (znaki całkowicie usunięte)<0.1 µmComplete surface inspection
Identyfikacja terenowa SCC wywołanego śladem szlifowania

W przypadku grzejników, które uległy awarii w wyniku działania SCC w przypadku chlorków, należy zbadać powierzchnię pęknięcia pod kątem miejsca powstania pęknięcia. Przy powiększeniu (100–500×) miejsce powstania pęknięcia często pokrywa się ze śladem szlifowania lub zadrapaniem. Znak będzie postrzegany jako ostro zarysowany rowek, często z preferencyjnymi produktami korozji zebranymi w rowku. Pęknięcia SCC rozprzestrzeniają się prostopadle do kierunku znaku szlifowania (jeśli ślady są obwodowe, pęknięcia są osiowe, a jeśli ślady są osiowe, pęknięcia są zwykle obwodowe, ale mogą podążać za śladem). Jeśli występują ślady szlifowania, a środowisko pracy zawiera chlorki przekraczające 200 ppm i temperatury przekraczające 80 stopni, należy podejrzewać SCC spowodowane śladami szlifowania. Odpowiedzią jest wymaganie elektropolerowania lub dokładnie wypolerowanych powierzchni do przyszłych zakupów oraz wycofanie obecnych grzejników lub wypolerowanie powierzchni osłony na miejscu, jeśli jest to możliwe (rzadko jest to wykonalne).

Wniosek: Ograniczenia głębokości śladów szlifowania w przypadku stosowania chlorku

Grinding markings >10-12 µm zapewnia koncentratory naprężeń i skraca czas inicjacji SCC dla grzejników w obudowie ze stali nierdzewnej 316 w wodzie chlorkowej o stężeniu 500 ppm i temperaturze 90 stopni z 20000+ godzin do 2000-5000 godzin. SCC rozpoczyna się po 500–1000 godzinach przy normalnym poziomie naprężeń szczątkowych na głębokościach większych niż 20 µm. W przypadku zastosowań chlorkowych inżynierowie wybierający osłony 316 powinni określić maksymalną głębokość śladów szlifowania (np. mniejszą lub równą 8 µm) lub równoważnie maksymalną chropowatość powierzchni (np. Ra mniejszą lub równą 0,5 µm) i poprosić o weryfikację za pomocą profilometrii. W przypadku najbardziej nieprzyjaznych warunków chlorkowych lub gdy nie można zminimalizować naprężeń szczątkowych, elektropolerowanie w celu usunięcia obrobionej na zimno, porysowanej warstwy powierzchniowej całkowicie usuwa koncentratory naprężeń związane ze śladami szlifowania. Zaproponowane tutaj podejście wiąże głębokość śladu po szlifowaniu z mierzalnymi czasami inicjacji SCC, umożliwiając kupującemu określenie technik wykańczania powierzchni, które pozwalają uniknąć przedwczesnej inicjacji pęknięć w przypadku defektów powierzchniowych.