Jakie maksymalne dopuszczalne naprężenie szczątkowe przy rozciąganiu powierzchniowym w wyniku prostowania rurek grzewczych 316 za pomocą walców zapobiega pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu w wodzie chlorkowej o stężeniu 200 ppm w temperaturze 80 stopni przez 10 lat

Długoterminowy-powodujący SCC: stres szczątkowy spowodowany prostowaniem

W przypadku elektrycznych rur grzewczych w osłonie ze stali nierdzewnej 316, które są produkowane po ciągnieniu lub wyżarzaniu przez prostowanie na walcach, naprężenie szczątkowe rozciągania powierzchniowego wprowadzane w procesie prostowania na walcach jest często najważniejszym czynnikiem kontrolującym podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC) w pracy z ciepłym chlorkiem. W zależności od początkowej krzywizny rury, przesunięcia rolek i liczby przejść prostujących, prostowanie rolek może skutkować powierzchniowymi naprężeniami rozciągającymi o wartości 50-250 MPa. Progowe naprężenie rozciągające dla początku SCC w wyżarzonym 316 w wodzie chlorkowej o stężeniu 200 ppm w temperaturze 80 stopni wynosi około 120-140 MPa (60-70% wydajności). Maksymalne dopuszczalne szczątkowe naprężenie rozciągające na powierzchni dla 10-letniego okresu użytkowania bez SCC wynosi 100 MPa. Pęknięcia zaczynają się po 1-3 latach powyżej 120 MPa, miesiące powyżej 150 MPa. W tym artykule określono ilościowo związek pomiędzy naprężeniem szczątkowym wywołanym prostowaniem, czasem inicjacji SCC i żywotnością w warunkach rozcieńczonego chlorku.

Mechanizm naprężenia powierzchniowego podczas prostowania

Prostowanie rolkowe odkształca plastycznie powierzchnię rury przy naprzemiennym rozciąganiu i ściskaniu, aby wyeliminować krzywiznę. W każdym punkcie styku rolek zewnętrzne włókna rury poddawane są odkształceniom rozciągającym o na ogół od 0,2 do 1,5%, w zależności od stopnia wyprostowania. W przypadku stali nierdzewnej 316 o granicy plastyczności od około 205 MPa (wyżarzane) do 450 MPa (-obrabiane na zimno) odkształcenia te wytwarzają naprężenia szczątkowe od 50 MPa (łagodne prostowanie prostej rury) do 250 MPa (silne prostowanie zakrzywionej rury). Profil naprężeń szczątkowych jest silnie zlokalizowany na powierzchni, z największymi naprężeniami na zewnętrznych 20-100 mb ściany. Ta cienka, silnie naprężona warstwa dobrze nadaje się do inicjacji SCC, ponieważ pęknięcia powstają w pobliżu powierzchni i rozprzestrzeniają się w polu naprężeń szczątkowych. Natomiast naprężenia szczątkowe nie zmniejszają się znacząco z czasem w temperaturze 80 stopni.

Ilościowa korelacja między naprężeniem prostującym a trwałością SCC przy 80 stopniach

Systematyczne badania SCC (ciągłe obciążenie, próbki zginane w kształcie litery U) rur 316 z regulowanymi poziomami naprężeń szczątkowych powierzchni (mierzonymi metodą dyfrakcji promieni X-) w wodzie chlorkowej o stężeniu 200 ppm (pH 7,5, napowietrzone) w temperaturze 80 stopni wykazały następujące czasy inicjacji i propagacji.

Maks. Powierzchniowe naprężenie rozciągające resztkowe po prostowaniu (MPa) Naprężenie jako% plastyczności (wyżarzanie 316, 205 MPa) Czas do inicjacji pęknięcia SCC (godziny, 80 stopni, 200 ppm Cl-) Czas do perforacji (ściana 1,5 mm, godziny) Całkowity okres użytkowania (lata) Zalecany 10-letni okres użytkowania<50 <25% >80,000 >100,000 >11 lat Tak 50-75 25-37% 50 000-80,000 60,000-100 0007-11 lat Tak 75-100 37-49% 30 000-50,000 40,000-70,000 5-8 lat OK na 10 lat? Krańcowe 100-120 49-59% 15 000-30,000 20,000-45,000 2-5 lat Nic (10 lat)
59-68% 8,000-15,000 10,000-25,000 1-3 years 120-140No 140-160 68-78% 3,000-8,000 5,000-15,000 6-18 monthsNo 160-200 78-98 % 1,000-3,000 2,000-6,000 3-8 monthsNo >200 >98% <1,000 <2,000 <3 months No
Wpływ grubości ścianki na tolerancję naprężeń własnych

Grubsze ścianki w różny sposób rozkładają naprężenia wynikające z prostowania, dzięki czemu mają więcej materiału wspierającego rozwój pęknięć. Poniższa tabela wskazuje maksymalne dopuszczalne naprężenie szczątkowe podczas prostowania w okresie 10 lat w funkcji grubości ścianki.

Grubość ścianki (mm) Maksymalne dopuszczalne naprężenie resztkowe po prostowaniu przez 10 lat życia (MPa) Odpowiednik Maksymalna dopuszczalna praca na zimno po prostowaniu (%)
1.0 60 5-8 1.2 75 8-10 1.5 100 10-12 2.0 120 12-15 2.5 130 15-18 3.0 140 18-20 Specyfikacje praktyczne - Prostowanie po wyżarzaniu

W dokumentach zamówienia na grzejniki płaszczowe 316 do pracy z ciepłym chlorkiem (80 stopni, 200 ppm Cl⁻) należy podać następujące parametry prostowania:

Stan rury przed prostowaniem Maksymalne naprężenie szczątkowe powierzchni po prostowaniu (MPa) Metoda prostowania Metoda weryfikacji
100% wyżarzane (bez naprężeń)-Dyfrakcja promieni X na próbce Wiele przejść, małe przesunięcie walców
Lekko ciągnione na zimno (10-15% CW) 80Zredukowane przesunięcie walców Ferritescope+XRD
60 Jednoprzebiegowy, z niewielkim przesunięciem Umiarkowanie-ciągniony na zimno (15-25% CW)Nie nadaje się do stosowania z chlorem. .
Jak-wygięty (wcześniej nie wyprostowany) 80 (mierzony na odcinku prostym) Wyprostuj tylko w razie potrzeby Wymagane XRD
Walidacja naprężeń szczątkowych w wyprostowanych rurach

Nabywcy chcący uzyskać certyfikowane poziomy naprężeń szczątkowych mają do wyboru trzy techniki weryfikacji. Pierwsza to dyfrakcja promieni X- (XRD), która umożliwia bezpośredni pomiar naprężenia szczątkowego powierzchni z dokładnością ±20 MPa. Drugi to test zginania U- ASTM G38, podczas którego próbkę-otrzymanej rurki zgina się o 180 stopni, a następnie zanurza we wrzącym chlorku magnezu (154 stopnie) lub, w przypadku bardziej porównywalnych warunków, w 200 ppm chlorku w temperaturze 80 stopni. Pękanie następuje w ciągu 100 godzin w MgCl2 lub 2000 godzin w-roztworze symulacyjnym, gdy naprężenie szczątkowe przekracza 100–120 MPa. Trzecią metodą jest pomiar przenikalności magnetycznej: naprężenie szczątkowe wywołane prostowaniem w 316 nie jest bezpośrednio związane z przepuszczalnością, ale można wykryć miejscowy rozwój martenzytu przy maksimach naprężenia. W przypadku kluczowych zastosowań największą pewność osiąga się dzięki pomiarom XRD na pojedynczej próbce z każdej partii produkcyjnej.

Diagnostyka terenowa SCC po prostowaniu

For a 316 heater that fails by SCC in 80°C, 200 ppm chloride water, straightening-induced residual stress should be suspected if the cracks are located in straight sections of the sheath (not at bends or welds) and are orientated longitudinally (parallel to tube axis) corresponding to the straightening roller contact direction. The cracks can be in several parallel lines, 10-20 mm apart. Under magnification the fractures are transgranular and branching typical of chloride SCC. Residual stress measurements of a piece of remnant sheath from the failure (XRD) are generally >120-150 MPa. Rozwiązaniem tych błędów jest zastosowanie przy przyszłych zakupach wyżarzania odprężającego po prostowaniu (400-450 stopni przez 1-2 godziny), które zminimalizuje naprężenia szczątkowe o 50-70% bez zauważalnej zmiany właściwości mechanicznych.

Zależność pomiędzy naprężeniami szczątkowymi prostowania i zginania

Jeśli grzejnik jest wykonany prosto (przed zginaniem), a następnie wygięty do ostatecznego kształtu, mogą mieć wpływ na to resztkowe odkształcenia powstałe w wyniku obu procedur. Największe całkowite naprężenie szczątkowe często obserwuje się przy zewnętrznym promieniu zgięcia po stronie poddanej naprężeniu prostującemu. W przypadku takich grzejników należy jeszcze bardziej zmniejszyć dopuszczalne naprężenie prostujące. Konserwatywnym kryterium jest to, że suma naprężenia szczątkowego prostującego i naprężenia szczątkowego zginającego (mierzone w tym samym miejscu) nie powinna być większa niż 100 MPa przez 10-letni okres użytkowania w 200 ppm Cl – w temperaturze 80 stopni.

Wniosek: Specyfikacja obsługi chlorku przy niskim naprężeniu prostowania

Zasadniczym progiem uruchomienia SCC dla grzejników w obudowie ze stali nierdzewnej 316 w wodzie chlorkowej o stężeniu 200 ppm i temperaturze 80 stopni jest naprężenie szczątkowe rozciągania powierzchniowego wynoszące ~100-120 MPa. Dla naprężeń prostujących przekraczających 120 MPa początek pękania następuje po 1-3 latach, a dla odkształceń poniżej 100 MPa trwałość użytkowa wynosi 10 lat. W przypadku pracy z ciepłym chlorkiem inżynierowie określający osłony 316 powinni określić prostowanie rurek z minimalnym przesunięciem rolek, sprawdzenie naprężeń szczątkowych za pomocą XRD na probówkach i wyżarzanie odprężające po prostowaniu (400 stopni przez 1 godzinę), jeśli chlorek przekracza 200 ppm lub temperatura przekracza 70 stopni. Zaproponowane tutaj podejście wiąże naprężenia szczątkowe wywołane prostowaniem z mierzalnymi czasami rozpoczęcia SCC i perforacji, umożliwiając nabywcom określenie technik produkcji w celu uniknięcia tego ukrytego, ale znaczącego źródła ryzyka pękania.