Îndoirea la rece a tuburilor cu manta din oțel inoxidabil 316 pentru încălzitoarele cu imersie în formă de U-transformă austenita reținută în martensită indusă de deformare-și accelerează sâmburele în apă cu temperatură scăzută-clorură-?

Riscul metalurgic de formare a tuburilor electrice de încălzire din oțel inoxidabil 316 în formă de U sau îndoite la comandă este de obicei ignorat în cerințele standard de coroziune. Procesul de îndoire, în special atunci când se utilizează raze mici pe țevile trase la rece, are ca rezultat o deformare plastică, care transformă austenita reținută metastabilă în martensită indusă de deformare-. Această tranziție reduce numărul efectiv de rezistență echivalentă la pitting (PREN) al zonei îndoite, chiar și atunci când materialul de bază satisface din punct de vedere tehnic 316 cerințe de compoziție. Testarea electrochimică a datelor experimentale dezvăluie că temperaturile critice de pitting (CPT) în porțiunile îndoite la rece ale tecilor din oțel inoxidabil 316 pot fi cu 15-25 de grade mai mici decât secțiunile neîndoite de la aceeași căldură. În aplicațiile în care apa are un conținut scăzut de clorură, dar are o temperatură ridicată (de exemplu, 80 până la 95 de grade C, 50 până la 100 părți per milion Cl⁻), această reducere mută de obicei zona îndoită de la o stare pasivă la cea activă de pitting în câteva luni de la funcționare, cauzând defecțiunea prematură a încălzitorului. Acest articol evaluează asocierea dintre raza de îndoire, fracția de martensită indusă de deformare și susceptibilitatea la pitting și oferă un cadru de selecție pentru inginerii de proiectare care specifică încălzitoare de imersie formate din oțel inoxidabil 316 pentru medii acvatice moderat dure.

Mecanismul metalurgic al martensitei induse de tensiuni-în oțel inoxidabil 316 curbat la rece
Structura austenitică a oțelului inoxidabil 316 este stabilă termodinamic numai la o anumită energie de defect de stivuire. Sub temperatura de pornire a martensitei (Ms), deformarea mecanică este un proces de lucru la rece în care energia furnizată este suficientă pentru a induce tranziția prin forfecare de la austenita cubică centrată pe față-($\\gamma$) la martensita tetragonală-centrată pe corp ($\\alpha'$). Temperatura Ms a oțelului inoxidabil 316 este de aproximativ -40 de grade . Cu toate acestea, martensita indusă de tulpină este observată la temperatura camerei pentru tulpina de plastic autentică peste o cantitate critică. Îndoirea pune stres pe fibrele exterioare ale tecii și compresie pe fibrele interioare. ε=t/2R Unde R este raza de îndoire față de linia centrală a tubului, t este grosimea peretelui și ε este deformarea plastică maximă pe partea de tracțiune. Pentru o îndoire 2D a unui tub standard de 12 mm OD cu grosimea peretelui de 1,2 mm până la o rază a liniei centrale de 24 mm, deformarea fibrei exterioare este de 0,05 (5%). La o rază de 15 mm (îndoire 1,25D), tensiunea crește la 0,08 (8%). Măsurătorile cu un Feritscope Fischer indică faptul că în oțelul inoxidabil 316 o deformare la tracțiune de 5% are ca rezultat aproximativ 8-12% a' martensită și 8% deformare rezultă în 15-25% martensită.

Producția de martensite are un efect dublu asupra rezistenței la coroziune. În primul rând, martensita este mai puțin solubilă în crom și molibden decât austenita și are ca rezultat pete epuizate în crom la granițele de fază. În al doilea rând, martensita este o fază catodică în ceea ce privește austenita, care are ca rezultat formarea de microcelule galvanice și dizolvarea anodică a austenitei vecine. Scanările de polarizare potențiodinamică în soluție de clorură de 100 ppm la 80 de grade indică faptul că oțelul inoxidabil 316 curbat la rece cu 15% martensită are un potențial de pitting de +150 mV față de Ag/AgCl, în timp ce același material în stare complet recristalizată are un potențial de pitting de +350 mV. Schimbarea de 200 mV înseamnă că regiunea îndoită are nevoie de mult mai puțină polarizare anodică pentru a iniția gropi.

Relația cantitativă între raza de încovoiere și durata de viață la pitting
Încălzitoarele din oțel inoxidabil 316 în formă de U (grosime 1,5 mm, diametru 12 mm) au fost supuse experimentelor de imersie controlată în apă de răcire sintetică (80 ppm Cl−, 200 ppm SO42−, pH 7,2, 85 grade) pentru a demonstra modelele de defecțiune în funcție de raza de încălzire la suprafață. L/cm 2 . Eșecul a fost definit ca o perforație din cauza pipăturii la vârful cotului exterior.

Raza de îndoire 36 mm (3D, deformare≈3,3%): Defecțiune medie la pitting după 2100 h. Conținut de martensită la vârful îndoit 6% Inițiere în mai multe locuri, propagare lentă.

Raza de îndoire 24 mm (2D, deformare 5,0%): Eșecul mediu la pitting după 1150 h Conținut de martensită: 11% Gropi nucleate de preferință la vârfurile de deformare din partea de tracțiune.

Raza de îndoire 18 mm (1,5D, deformare 6,7 %). Eșec mediu la pitting 550 ore. continut de martensite 18 %; Coroziunea localizată într-un inel de 2 mm pe cotul exterior.

Raza de îndoire 12 mm (1D, deformare 10%): defecțiune medie la pitting după 180 de ore. Conținut martensitic: 27 %. Perforare rapidă cu crăpare în unele cazuri.

În aplicațiile cu concentrații mai mari de clorură (300-500 ppm) în apa de proces, durata de viață a zâmbetului la fiecare rază de îndoire este redusă cu un alt factor de 2-3. Alternativ, pentru temperatura apei sub 50 de grade, accelerația de pitting indusă de martensită este nesemnificativă, deoarece temperatura critică de pitting este mai mare decât temperatura de lucru chiar și pentru secțiunile îndoite.

Efecte termice și mecanice ale pipăturilor localizate la coturi .
Designul care concentrează stresul pe raza de curbură face ca eșecul pitting-ului să fie deosebit de supărător. Când o groapă străpunge peretele învelișului, elementul de încălzire intern (de obicei sârmă de NiCr sau FeCrAl) este expus fluidului de proces. În sistemele pe bază de apă, acest lucru generează o eroare imediată la pământ și o oprire a încălzitorului. Cu toate acestea, punctele fierbinți izolate se dezvoltă în gropile cu grosime-parțială chiar înainte de perforarea completă din cauza rezistenței termice mai mari și a densității de curent localizate în grosimea pereților rămase la baza gropii. Termografia în infraroșu a unui încălzitor cu penetrare de 30% în perete la cot indică o creștere a temperaturii suprafeței cu 35-50 de grade peste temperatura învelișului din jurul cotului. Acest punct fierbinte crește coroziunea și poate cauza arderea-a firului de rezistență intern din cauza supraîncălzirii localizate. Chiar și în sistemele presurizate, o groapă de adâncime parțială poate servi ca o creștere a tensiunii și poate iniția fisuri de oboseală atunci când încălzitorul este supus unui ciclu termic.

Tensiunile reziduale de tracțiune induse de încovoiere provoacă, de asemenea, fisurarea prin coroziune sub tensiune (SSC) în anumite condiții. Combinația dintre efortul de tracțiune rezidual (de obicei 100-250 MPa la fibra exterioară îndoită), martensită și temperatură crescută determină un mecanism de defecțiune sinergic în condițiile care conțin-clorură pentru oțelul inoxidabil 316. Istoricii de caz sunt disponibile pentru reactoarele chimice în loturi, în care încălzitoarele în formă de U-316, îndoite la raze de 1,5D în 200 ppm Cl-serviciu la 95 de grade, au eșuat sub SCC transgranular după 300 de ore, în timp ce încălzitoarele identice îndoite la raze 3D au funcționat aproape 3000 de ore fără fisurare.

Ghid de selectare a razei de curbură în funcție de nivelul de clorură și temperatura de funcționare
Următoarea matrice de decizie ajută inginerii să definească razele minime de îndoire pentru tuburile electrice de încălzire din oțel inoxidabil 316 în formă de U-și personalizate-. Pentru fiecare combinație de concentrație de clorură și temperatură maximă a învelișului, se oferă un raport minim R/t recomandat (raza de îndoire împărțită la diametrul exterior al tubului) pentru a limita dezvoltarea martensitei la mai puțin de 5%.

Concentrația maximă de clorură (ppm) Temperatura maximă a învelișului (grade ) Raza minimă de îndoire recomandată (dimensiunea diametrului multiple al tubului) Pitting estimat-Durată de viață liberă (ore) Aveți nevoie de tratament termic post-îndoire?
< 50 < 60 2.0 D > 5000 No 50 – 100 < 60 2.0 D > 4000 No 50 – 100 60 – 90 2.5 D > 3000 No 50 – 100 90 – 110 3.0 D > 2000 Recommended (solution anneal if possible)
600 > 90 4.0 D > 600 Necesar + luați în considerare îmbunătățirea aliajului (Incoloy 825) > 600 > 100 4.5 D > 500 Necesar + luați în considerare îmbunătățirea aliajului (Incoloy 825) > 600 > 100 5.0 D > 400 Necesar + luați în considerare îmbunătățirea aliajului (Încoloy 825) > D > 300 Necesar + luați în considerare îmbunătățirea aliajului (Incoloy 825) > 600 > 100 7.0 D > 200 Necesar + luați în considerare îmbunătățirea aliajului (Incoloy 825) > 600 > 100 8.0 D > 100 Necesar + luați în considerare îmbunătățirea aliajului (Incoloy 825) curbe formate la cald{31}Nu se potrivesc Utilizați 316 drept sau treceți la un aliaj mai rezistent
Pentru aplicațiile care necesită curbe compacte U-mai mici de 2,5D în condiții moderate de clorură, producătorii pot alege să utilizeze o procedură de recoacere cu soluție post-îndoire, încălzire la 1050 de grade urmată de călire rapidă cu apă, pentru a recristaliza structura tensionată și pentru a îndepărta martensita. Cu toate acestea, soluția-recoacerea ansamblurilor de încălzire finalizate nu este de obicei posibilă, deoarece elementul de încălzire interior și etanșările terminale nu pot tolera aceste temperaturi. În aceste circumstanțe, un răspuns practic ar fi să specificați o rază de îndoire mai mare sau un aliaj mai formabil, dar totuși rezistent la coroziune, cum ar fi 316Ti (care are adăugat titan pentru stabilizarea carburilor și o tendință mai mică de a forma martensite).

Pași suplimentari pentru reducerea coroziunii legate de îndoire-
Când limitările de proiectare necesită o rază de îndoire îngustă pe o manta din oțel inoxidabil 316, trei metode tehnice pot restabili parțial rezistența la coroziune. Deformarea în fibra exterioară este proporțională cu t/R . Astfel, cu cât peretele tubului este mai gros înainte de îndoire, cu atât este mai mică tensiunea în fibra exterioară pentru o rază de îndoire dată. Un tub de perete de 1,8 mm îndoit la o rază de 1,5D are o tensiune mai mică decât un tub de perete de 1,2 mm îndoit la aceeași rază. Acest lucru are ca rezultat o reducere a producției de martensită cu aproximativ 30%. În al doilea rând, specificarea 316L cu conținut scăzut de carbon (maxim 0,03% C) spre deosebire de 316 (0,08% C) va crește rezistența la sensibilizare în timpul îndoirii și a oricărei sudări ulterioare, dar nu va preveni direct formarea martensitei. În al treilea rând, operația de electrolulare post-îndoire elimină un strat subțire de suprafață (20–50 µm) cu densitatea maximă a martensitei și defectele-induse de deformare . Testarea electrochimică indică faptul că lustruirea electrostatică a unei coturi de 1,5D aduce potențialul de pitting la 50 mV față de starea neîndoită și crește durata de viață cu un factor de trei față de coturile nelustruite.

Raze de curbare pentru încălzitoare cu imersie rezistente din oțel inoxidabil 316
Inginerii de proiectare care solicită cotații pentru tuburi electrice de încălzire electrice din oțel inoxidabil 316 în formă de U sau îndoite la comandă trebuie să specifice raza minimă de îndoire în multipli ai diametrului exterior al tubului, concentrația așteptată de clorură și temperatura maximă de funcționare a fluidului de proces. Nu credeți că raza de curbură standard a producătorului este OK pentru chimia apei dvs. (de obicei 2D sau 1,5D). Pentru instalațiile noi cu duritatea apei și niveluri de clorură tipice pentru alimentările municipale (50-150 ppm Cl-, 60-80 de grade temperatură de funcționare) asigurați o rază de curbură 3D minimă pentru a asigura o concentrație de martensite sub 5% și o durată de viață estimată fără sâmburi-de mai mult de 100000000 ore. Dacă restricțiile de spațiu impun coturi mai strânse de 2,5D, solicitați furnizorului măsurători de martensite induse de deformare-(feritoscop sau difracție de raze X) pe coturi ale probei și luați în considerare electrolustruirea sau o procedură de eliberare a tensiunii după îndoire. Tratând raza de îndoire ca o variabilă de proiectare pe picior de egalitate cu grosimea peretelui și lustruirea suprafeței, inginerii de proces pot preveni defecțiunile premature care nu provin din secțiunile drepte, ci din fibra exterioară susceptibilă a fiecărei curbe.