Cum modifică profilul tensiunii reziduale de la îndreptarea tuburilor a tecilor de încălzire din oțel inoxidabil 316 pragul pentru fisurarea coroziunii la stres de clorură

Sursă neintenționată: Tensiunea la suprafață de întindere din procesul de îndreptare.

Îndreptarea cu role este adesea ultima etapă în procesul de fabricație pentru tuburile electrice de încălzire cu manta din oțel inoxidabil 316 înainte ca acestea să fie tăiate la lungime și îndoite. Această procedură îndepărtează curbura tubului ca-tras (sau ca-recoacet) prin trecerea acestuia prin role deplasate și introduce un profil complicat de tensiuni reziduale pe suprafața tubului . Tensiuni reziduale de tracțiune de 50-200 MPa sunt introduse în 50-150 µm exterior ai peretelui mantalei pe partea de tensiune a fiecărui punct de contact al rolei de îndreptare. Aceste tensiuni reziduale de întindere măresc solicitarea aplicată a cercului prin dilatarea termică și presiunea internă în medii care conțin clorură la temperatură ridicată (peste 60 de grade) pentru a induce fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC) la solicitări care ar fi sigure pentru materialul eliberat de efort. Această lucrare evaluează corelația dintre stresul rezidual datorat îndreptării, nivelul de clorură și timpul de inițiere a SCC și oferă limite de specificație pentru atenuarea tensiunilor după îndreptare în serviciu coroziv.

Mecanism al tensiunii superficiale care induce îndreptarea

Tubul din oțel inoxidabil este îndreptat cu role prin trecerea între o serie de role deplasate care deformează plastic tubul în direcții alternative. Tensiunile de tracțiune din fibrele exterioare ale tubului variază, în general, de la 0,5 % la 2,0 %, în funcție de curbura de pornire și de decalajul rolei de îndreptare. O deformare plastică la tracțiune impusă de 0,5 % în oțel inoxidabil 316 recoapt, având o limită de curgere de aproximativ 205 MPa, corespunde unei tensiuni reziduale de 150–200 MPa (75–100 % din limita de curgere). Distribuția tensiunilor reziduale este destul de localizată: cele mai mari solicitări sunt observate într-un strat subțire de suprafață (20-100 µm adâncime) deoarece deformația de îndreptare este în mare parte elastică la miezul tubului și plastică doar la suprafață. Fisurile se nucleează la suprafață și cresc în câmpul de stres rezidual în vrac. Acest strat subțire foarte solicitat este perfect pentru inițierea SCC. De obicei, direcția tensiunilor reziduale este axială (de-a lungul lungimii tubului) pe suprafețele tubului în contact cu rolele, tensiunile circumferențiale fiind la marginile contactului rolei. Tensiunile reziduale axiale sunt deosebit de problematice pentru o manta de incalzire deoarece sunt in aceeasi directie cu solicitarea inelului cauzata de presiunea interioara, cele doua tensiuni totalizand pana la o solicitare neta de tractiune care accelereaza dezvoltarea fracturii.

Reducerea cuantificată a pragului SCC datorită tensiunilor de îndreptare

Testele sistematice ale tubului 316 în clorură de magneziu la fierbere (154 de grade, test SCC standardizat) arată că tubul îndreptat fără reducerea tensiunii post-îndreptare eșuează în 20-50 de ore sub presiune aplicată de 200 MPa. Aceeași țeavă în stare de eliberare a tensiunii (stresul rezidual sub 30 MPa) supraviețuiește peste 500 de ore. În condiții de funcționare aplicabile încălzitoarelor cu imersie - 90 grade de apă cu 1.000 ppm clorură - rezultatul este la fel de semnificative. 316 teci cu stres atenuat rezistă la 1.000 ppm clorură timp de 5-8 ani fără SCC. Tecile îndreptate cu tensiuni de suprafață reziduale mai mari de 150 MPa vor genera fracturi SCC în decurs de 12-24 de luni la același nivel de clorură. Învelișurile sub stres vor dura pentru totdeauna la 500 ppm de clorură. Tecile îndreptate se vor sparge în 3-5 ani. Combinația de prag crucială pentru inițierea SCC fără aplicarea forțelor de îndreptare este de 60 de grade și 300 ppm de clorură. Peste 80 de grade, combinația oricărei concentrații de clorură peste 200 ppm cu tensiuni reziduale de îndreptare care depășesc 100 MPa va duce în cele din urmă la SCC. Tabelul de mai jos arată timpul până la inițierea SCC în funcție de tensiunea superficială reziduală, concentrația de clorură și temperatura.

Tensiunea de suprafață reziduală de la îndreptare (MPa) Concentrația de clorură (ppm) Temperatura învelișului (grade) Timpul până la inițierea fisurii SCC (ore de funcționare) Timpul până la perforare (perete de 1,5 mm) Acțiune recomandată<30 (stress relieved) 1000 90 >70,000 (>8 years) >80.000 Acceptabil<30 (stress relieved) 2000 80 >50,000 >60.000Acceptabil cu monitorizare 50-100 (îndreptare ușoară) 500 90 20,000-30.000 (2,5-3,5 ani) 25.000-40.000 Marginal; se recomandă reducerea stresului
50-100 (îndreptare ușoară) 1000 80 15,000-20.000 (1,7-2,3 ani) 18.000-25.000 Nerecomandat pentru utilizare continuă 100-150 (îndreptare moderată) 300 90 10,000-15.000 (1.000.,70,000,000,000,000,000,000,000,000) Inacceptabil peste 80 de grade 100-150 (îndreptare moderată) 500 80 8,000-12.000 (0,9-1,4 ani) 10.000-15.000 Inacceptabil
150-200 (îndreptare severă) 200 90 3,000-6,000 (4-8 luni) 4,000-8,000 Inacceptabil pentru orice clorură
150-200 (Îndreptare severă) 500 70 5,000-10,000 (7-14 luni) 6,000-12,000 Înlocuiți cu tub de eliberare a tensiunii
Detectarea și ameliorarea stresului rezidual de îndreptare

Cumpărătorii care specifică 316 încălzitoare cu carcasă pentru utilizare cu clorură au trei moduri de a verifica starea de stres rezidual de la îndreptare. Prima este practica standard ASTM G38 pentru producerea de specimene U-codute. O parte din tubul-primit este îndoită la 180o peste un dorn și scufundată în clorură de magneziu clocotită. Dacă fisurarea a avut loc în decurs de 100 de ore, tensiunea reziduală de la îndreptare a fost suficientă pentru a provoca SCC fără stres aplicat. A doua tehnică este detectarea prin difracție de raze X-(XRD) a tensiunii reziduale pe suprafața tubului. Valorile peste 100 MPa sugerează că se recomandă reducerea tensiunii după îndreptare. A treia și cea mai ușoară metodă este așa-numitul „test cu feroxil” (gravare cu sulfat de cupru-acid sulfuric), care arată zonele cu tensiuni reziduale semnificative ca modele de gravare mai întunecate. Tensiunile reziduale sub 30 MPa pentru încălzitoarele destinate funcționării la peste 70 de grade cu cloruri peste 200 ppm sunt obținute prin recoacere post-îndreptare la 400-500 de grade timp de 1-2 ore. Recoacere cu soluție completă (1040 de grade) îndepărtează în întregime tensiunile reziduale, dar poate provoca deformarea tubulaturii și este de obicei specificată numai pentru aplicații critice. Cumpărătorii pot avea nevoie de verificarea reducerii tensiunii efectuată de furnizorul de țevi după îndreptare (sau că îndreptarea nu se face pe țevi recoapte), care oferă o asigurare a calității aplicabilă.

Identificarea în domeniul SCC din reziduuri de îndreptare

Cauza reziduurilor de îndreptare se distinge prin forma fisurilor atunci când un încălzitor defectează prin SCC. Fisurile provin de obicei în secțiuni drepte ale mantalei, nu în coturi sau suduri, de la solicitările create prin îndreptare. Ele sunt de obicei longitudinale (adică paralele cu axa tubului) și pot apărea într-un număr de linii paralele separate de 5-15 mm, corespunzătoare modelului de contact al rolei. Fracturile sunt transgranulare (încrucișarea granițelor) pentru 316 în medii cu clorură peste 80 C sub mărire cu ramificare tipică SCC. Suprafața fracturii nu este foarte ductilă. Dacă încălzitorul eșuat provine dintr-un lot care nu a fost atenuat după îndreptare, iar circumstanțele de service includ cloruri peste 300 ppm la temperaturi de peste 70 de grade, cauza fundamentală este probabil stresul rezidual generat de îndreptare. Toate încălzitoarele rămase trebuie scoase din funcțiune sau modificate cu un tratament de reducere a stresului, acolo unde este posibil, pentru astfel de instalații.

Concluzii: Definiția controlului stresului rezidual pentru serviciul de clorură

Profilul de tensiuni reziduale introdus în țevile din oțel inoxidabil 316 după îndreptarea cu role este o variabilă ascunsă care poate scădea pragul SCC de clorură cu un factor de 3 până la 5. Mediile cu clorură fierbinte vor crăpa tubul cu tensiuni reziduale de suprafață de peste 100 MPa în 1{10}}2 ani în condiții de setare, când țeava atenuată durează 5 ani. Pentru orice serviciu care implică cloruri peste 200 ppm și temperaturi peste 70 de grade, inginerii care specifică 316 încălzitoare cu manta trebuie să solicite unul dintre următoarele: reducerea tensiunilor post-îndreptare (400-500 de grade timp de 1-2 ore) sau certificarea că tubulatura a fost îndreptată în starea complet recoaptă stabilită cu rola pentru a minimiza tensiunile reziduale. Cadrul propus poate fi utilizat pentru a preveni defecțiunile timpurii de fisurare, care sunt atribuite în mod obișnuit „calității materialului”, dar se datorează, de fapt, tensiunii reziduale negestionate asociate cu îndreptarea tubului, prin raportarea procesului de îndreptare la timpii de inițiere SCC măsurabili.