Dlaczego grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 poniżej 1,1 milimetra wymaga wyżarzania końcowego-wtłaczania, aby zapobiec pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu w zastosowaniach z gorącą wodą morską?

Połączenie szczątkowych naprężeń rozciągających powstałych w wyniku kształtowania i narażenia na działanie chlorków stwarza wysokie ryzyko pękania korozyjnego naprężeniowego dla inżynierów produkcji i specjalistów ds. korozji odpowiedzialnych za elektryczne grzałki zanurzeniowe w układach chłodzonych wodą morską, zakładach odsalania i platformach wiertniczych. Pękanie korozyjne naprężeniowe charakteryzuje się jednoczesnym występowaniem trzech warunków (art. 10): materiału podatnego, naprężenia rozciągającego i środowiska chlorkowego przekraczającego 60 stopni. Metoda kształtowania stosowana do kondensacji izolacji z tlenku magnezu generuje duże szczątkowe naprężenia rozciągające na wewnętrznej powierzchni osłony 316. Te naprężenia szczątkowe są szczególnie duże w przypadku cienkościennych osłon o grubości poniżej 1,1 mm i rozciągają się na większy procent grubości ścianki, zapewniając prawie ciągły kanał dla inicjacji i propagacji pęknięć. Te naprężenia szczątkowe można złagodzić, a podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe znacznie zmniejszyć poprzez wyżarzanie-po kształtowaniu, tj. podgrzewanie gotowego zespołu grzejnika do 1050 stopni i szybkie hartowanie. W badaniu określono ilościowo związek pomiędzy grubością ścianki, ilością naprężeń szczątkowych i potrzebą wyżarzania końcowego w celu wykorzystania wody morskiej.

Wielkość naprężenia szczątkowego w funkcji grubości ścianki po zatłoczeniu
Podczas procesu kształtowania rura 316 jest poddawana obróbce na zimno, gdy średnica wokół rdzenia wypełnionego MgO zmniejsza się o 15-30%. Obróbka na zimno powoduje dyslokacje i deformacje ziaren oraz magazynuje energię sprężystą w postaci naprężeń szczątkowych. Pomiary naprężeń szczątkowych metodą dyfrakcji rentgenowskiej przeprowadzone na wewnętrznej powierzchni kształtowanych powłok 316 wykazują znaczną odwrotną zależność od grubości ścianki. Szczątkowe naprężenie rozciągające na powierzchni wewnętrznej dla grubości ścianki 0,8 mm waha się od +250 do +350 MPa. Dla grubości ścianki 1,0 mm zakres wynosi od +200 do +280 MPa. Dla ścianki o grubości 1,2 mm zakres zmniejsza się do +150 do +220 MPa. Dla ścianki o grubości 1,6 mm zakres wynosi od +100 do +160 MPa. Naprężenia szczątkowe są redukowane do +50 do +100 MPa w ścianie o grubości 2,0 mm. Wartości te są bliskie lub przekraczają próg pękania korozyjnego naprężeniowego w ciepłym środowisku chlorku, który wynosi około +150 MPa dla stali nierdzewnej 316 w słonej wodzie o temperaturze 60 stopni. Osłony, których naprężenia szczątkowe na wewnętrznej powierzchni przekraczają 150 MPa, prawdopodobnie zainicjują pęknięcia w ciągu kilku miesięcy od narażenia. Poniżej 100 MPa ryzyko jest znacznie mniejsze. Zatem osłony o grubości ścianki poniżej około 1,2 mm mają naprężenia szczątkowe na powierzchni wewnętrznej przekraczające bezpieczny poziom, podczas gdy osłony o grubości powyżej 1,6 mm są zwykle poniżej progu. Dla pośredniego zakresu 1,2–1,6 mm zagrożenie jest związane z określoną redukcją ugniatania i temperaturą wody morskiej.

Proces wyżarzania i jego wpływ na odporność na korozję i naprężenia szczątkowe.
Powłoka 316 jest wyżarzana po kształtowaniu w temperaturze 1050 stopni przez 15 do 30 minut w środowisku ochronnym, zwykle argonie lub zdysocjowanym amoniaku, w celu rekrystalizacji-obrobionej na zimno struktury ziarnistej. Metoda niemal całkowicie eliminuje naprężenia własne, obniżając wartości powierzchni wewnętrznej do około ±20 MPa, niezależnie od początkowej grubości ścianki. Jednak wyżarzanie ma 3 możliwe wady. Po pierwsze, wysoka temperatura może utlenić znajdujący się w nim przewód oporowy, jeśli środowisko nie będzie odpowiednio zarządzane. W stopach niklu-chromu wytwarza się ochronny tlenek w temperaturze 1050 stopni, ale poważne utlenianie zmniejsza-przekrój poprzeczny drutu i skraca żywotność grzejnika. Po drugie, wyżarzanie zmiękcza powłokę ze stali 316, zmniejszając jej wytrzymałość mechaniczną i ciśnienie do około 20–30% wartości-ciągnienia na zimno. W grzejniku o ciśnieniu znamionowym 40 barów w stanie zakutym po wyżarzaniu ciśnienie może zostać obniżone do 30 barów. Po trzecie, małe szybkości chłodzenia podczas wyżarzania mogą powodować uczulenie, tj. wytrącanie się węglika chromu na granicach ziaren. Szybkie chłodzenie, często hartowanie wodą lub wymuszone chłodzenie gazem, pozwala uniknąć uczulenia i zachowuje odporność na korozję. Dobrze-przeprowadzone wyżarzanie nie wpływa na odporność na korozję wżerową i szczelinową. Może nawet poprawić jednorodność powłoki pasywnej. W przypadku cienkościennych osłon o grubości poniżej 1,1 mm korzyści wynikające z łagodzenia naprężeń szczątkowych znacznie przewyższają wady, ponieważ w przeciwnym razie żywotność byłaby ograniczona do miesięcy, a nie lat z powodu pękania korozyjnego naprężeniowego.

Wymagania dotyczące wyżarzania i macierz grubości ścianki dla zastosowań w wodzie morskiej
Poniższa tabela podsumowuje wytyczne dotyczące-wyżarzania końcowego przez kształtowanie powłok 316 przeznaczonych do pracy z gorącą wodą morską w temperaturach przekraczających 60 stopni. Wartości ciągłego lub przerywanego narażenia na chlorki i przewidywany okres użytkowania dłuższy niż dwa lata.

Grubość ścianki osłony Naprężenia szczątkowe na powierzchni wewnętrznej Ryzyko naprężenia, korozji, pękania Pękanie bez wkładu-Wyżarzanie, wyżarzanie Zalecane alternatywne zalecenia
Poniżej 0,8 mm Powyżej 350 MPa Bardzo wysoka; tygodnie awarii Obowiązkowe Grubsza ściana czy modernizacja stopu?
250 – 350 MPa 0,8 – 1,0 mm Wysokość; awaria w ciągu 1–6 miesięcy Obowiązkowe wyżarzanie wymagane w przypadku wszystkich zastosowań związanych z wodą morską
1,0 – 1,2 mm 200 – 280 Mpa Średnie do wysokiego; awaria po 6–18 miesiącachWysoce zalecane Dopuszczalne bez wyżarzania Tylko w przypadku pracy przerywanej
1,2 – 1,4 mm 150 – 220 MPa Umiarkowane; Awaria 1–3 lataDla długotrwałej pracy Zalecana kontrola co roku bez wyżarzania 1,4 – 1,6 mm 100 – 160 Mpa Niska do umiarkowanej; awaria w ciągu 3 do 5 lat Opcjonalna trwałość 5-letnia może być wystarczająca bez wyżarzania
1,6 – 2,0 mm 50 – 100 MPa Niska – w ciągu najbliższych 5 lat raczej nie zapadnie się Niekorzystne Wyżarzanie nie jest zbyt korzystne
Ponad 2,0 mm< 50 MPaVery low Not necessaryNo annealing needed, might weaken strength
W przypadku osłon w słonej wodzie o temperaturze powyżej 60 stopni i poniżej 1,2 mm określenie wyżarzania po zatężeniu stanowi różnicę między grzejnikiem, który ulegnie awarii w ciągu jednego roku, a grzejnikiem, który wytrzyma pięć lub więcej lat. Dodatkowy koszt wyżarzania, zwykle 15-25% kosztu grzejnika, jest rekompensowany zwiększoną żywotnością i wyeliminowaniem ryzyka nieoczekiwanego pęknięcia.

Praktyczne aspekty określania wyżarzonych cienkich-powłok ściennych
Cienkie-osłony 316 powinny zostać-wyżarzone przez inżynierów, a specyfikacja zamówienia powinna zawierać trzy dodatkowe wymagania. Najpierw zażądaj certyfikacji środowiska wyżarzania i szybkości chłodzenia. Certyfikat zgodności potwierdzający, że wyżarzanie przeprowadzono w-środowisku nieutleniającym w temperaturze 1,050 15 stopnia przez co najmniej 15 minut i hartowano wodą lub wymuszonym chłodzeniem gazem, zapewnia prawidłowy proces. Po drugie, zażądaj testu uczulenia zgodnie z normą ASTM A262 Praktyka E. Badanie polega na zanurzeniu próbki wyżarzonego materiału osłony we wrzącym roztworze siarczanu miedzi-miedzi i badaniu pod kątem ataku międzykrystalicznego. Wynik pozytywny wskazuje, że wyżarzanie nie doprowadziło do uczulenia. Trzecim jest wymóg sprawdzenia, czy wewnętrzny drut oporowy nie uległ utlenieniu i uszkodzeniu. Prosty test rezystancji izolacji w temperaturze pokojowej-co najmniej 100 megaomów-potwierdza, że ​​MgO i przewód są nadal na swoim miejscu. W przypadku grzejników, które zostały nieprawidłowo wyżarzone w powietrzu, drut oporowy może ulec całkowitemu utlenieniu, a grzejnik będzie wykazywał zwarcie lub bardzo niską rezystancję. W przypadku produkcji na dużą skalę inżynierowie powinni pobrać próbki o niszczycielskim przekroju poprzecznym z początkowej serii produkcyjnej, aby potwierdzić strukturę ziaren i brak węglików międzykrystalicznych. Kwalifikacja ta jest stosunkowo niedroga w porównaniu z kosztami awarii w terenie w zastosowaniach związanych z wodą morską, gdzie awaria grzejnika często skutkuje wyłączeniem statku, opróżnieniem i czyszczeniem. Prawidłowo wyżarzona cienka-ścianka 316 łączy w sobie zalety reakcji termicznej cienkich ścianek i odporność na korozję naprężeniową grubych ścian, - to, co najlepsze z obu światów, gdy wymagane jest szybkie nagrzewanie i trwałość w wodzie morskiej.