Ce adâncime maximă admisă de șlefuire a suprafeței marchează după finisarea fără centre a tubului de încălzire 316 previne inițierea fisurii prin coroziune sub tensiune în apă clorură de 500 ppm la 90 de grade

Zgârietura de suprafață ca loc pentru concentrarea stresului pentru inițierea SCC

Pragul de inițiere a fisurarii prin coroziune sub tensiune (SCC) în medii cu clorură pentru tuburile electrice de încălzire cu manta din oțel inoxidabil 316 care au fost șlefuite fără centre sau lustruite mecanic ca operațiune de finisare finală pentru a obține toleranțe strânse de diametru sau suprafețe netede este controlat direct de adâncimea semnelor de șlefuire reziduale, în mod normal 5-50 în funcție de dimensiunea grătarului abraziv și a gradului de abraziune. Fiecare semn de șlefuire este un concentrator geometric de tensiuni, cu un factor teoretic de concentrare a tensiunii (K_t) variind de la 1,5 pentru un marcaj neted și puțin adânc (adâncime).<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 µm, raza rădăcinii<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.

Mecanismul de inițiere a SCC la crestăturile de suprafață

Fisurarea prin coroziune sub tensiune în clorurile fierbinți necesită trei condiții: o microstructură susceptibilă (de obicei unele lucrări la rece), o solicitare de întindere prelungită și un mediu de clorură agresiv. La baza unui semn de șlefuire de suprafață efortul de tracțiune local este dat de $σ_{local}=σ_{aplicat}×K_{t}$ unde $K_{t}$ este o funcție de geometria marcajului (raportul adâncime-rază). Un semn de șlefuire tipic cu adâncimea d și raza rădăcinii ρ dă K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). O adâncime mică, rotunjită (d=5 µm, ρ=10 µm) dă K_t≈{1+2×sqrt(0,5)=2.4. Pentru un semn ascuțit profund (d{=20 $\\mu$m, $\\rho$m, $\\rho$\\{18}}$\\{16}} estimăm) 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . Pentru o tensiune reziduală aplicată de 100 MPa, tensiunea locală este de 240-730 MPa - peste limita de curgere de 205 MPa și departe în zona în care SCC are loc rapid. O fisură începe la concentrarea tensiunii și avansează prin dizolvare anodică la vârful fisurii, condusă de solicitarea aplicată până când peretele învelișului este străpuns.

Relația cantitativă între adâncimea marcajului de șlefuire și inițierea SCC

Testarea SCC controlată (încărcare continuă, specimene U{0}}codură sau inel C-) a țevilor 316 cu semne de șlefuire a suprafeței de adâncime controlată (obținută prin modificarea granulației abrazive și a vitezei de avans) în apă clorură de 500 ppm la 90 de grade a stabilit adâncimile esențiale pentru o anumită perioadă de timp SCC.

Adâncimea maximă a marcajului de șlefuire (µm) Rugozitatea tipică a suprafeței (Ra, µm) Raza rădăcinii marcajului (µm, tipic) Factor de concentrare a tensiunii (K_t) Timp până la inițierea SCC (ore, 500 ppm Cl-, 90 de grade, 100 MPa, 100 MPa, timp de 5 mm pentru inițierea efortului rezidual recomandat pentru (1) mm. 500 ppm Cl-, Serviciu la 90 de grade<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30.000 Da (echivalent electrolustruit)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10,000-20,000 15,000-25,000 Da 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5,000-10,000 8,000-15,000 Acceptabil 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500-5,000 4,000-8,000 Marginal 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1,000-2,500 2,000-4,000 Nerecomandat
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1,000-2.000 Inacceptabil
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 
Influența nivelului tensiunii reziduale asupra adâncimii admisibile a marcajului

Adâncimea admisibilă a semnelor de șlefuire variază foarte mult în funcție de efortul de tracțiune rezidual al mantalei. Tensiunea reziduală mai mare necesită marcaje mai puțin adânci pentru a preveni SCC. Adâncimea maximă admisă a marcajului pentru multe niveluri de stres rezidual, 500 ppm Cl⁻, 90 de grade este prezentată în tabelul de mai jos.

Tensiune reziduală de întindere (MPa) Adâncimea maximă admisă a marcajului de șlefuire pentru 10.000-ore Durată de viață fără SCC (µm) Rugozitatea suprafeței necesară (Ra, µm) Metoda de finisare recomandată<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (desen)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (desen moderat)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (ca-îndoit, fără stres)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Serviciu practic de specificații de finisare cu clorură

Următoarele criterii de finisare a suprafeței sunt recomandate pentru încălzitoarele cu manta 316 pentru funcționare în apă clorură peste 200 ppm la temperaturi peste 80 de grade pe baza stării de stres rezidual estimat.

Metoda de prelucrare finală Adâncimea marcajului de măcinare maximă Ra maximă Metodă de verificare Stare de tensiune reziduală
Stres atenuat (recoacet după formare) Măcinat fără centru, granulație 400-60010 µm 0,5 µmVizual + profilometru 50×
Ca tras sau îndoit (fără atenuare a tensiunii) Măcinare fină + lustruire blândă 5 µm 0,3 µm Profilometru
Cloruri ridicate La trasat Ca îndoit Electropolish (înlăturați 20-30 µm)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Oricare, pentru service criticElectropolish + pasivare0 (semne eliminate complet)<0.1 µmComplete surface inspection
Identificarea în câmp a SCC indusă de marcajul de măcinare

Pentru încălzitoarele care au eșuat de către SCC în serviciul cu clorură, suprafața fracturii trebuie investigată pentru locul de origine a fracturii. Sub mărire (100-500×), punctul de origine al fisurii va coincide frecvent cu un semn de șlefuire sau zgârietură. Marcajul va fi văzut ca o canelură bine definită, frecvent cu produsul de coroziune colectat de preferință în canelură. Fisurile SCC se propagă normal pe direcția marcajului de șlefuire (dacă semnele sunt circumferențiale, fisurile sunt axiale, iar dacă semnele sunt axiale, fisurile sunt de obicei circumferențiale, dar pot urma marcajul). Dacă sunt prezente marcaje de măcinare și mediul de service are cloruri care depășesc 200 ppm și temperaturi mai mari de 80 de grade, trebuie suspectat SCC din cauza semnelor de măcinare. Răspunsul este de a solicita suprafețe electrolustruite sau lustruite fin pentru achiziții viitoare și de a retrage încălzitoarele actuale sau de a lustrui suprafața învelișului la locul lor, dacă este accesibilă (rareori este posibil).

Concluzie: Limitele adâncimii marcajului de măcinare pentru serviciul de clorură

Grinding markings >10-12 µm oferă concentratoare de stres și scad timpul de inițiere a SCC pentru încălzitoarele din oțel inoxidabil 316 în 500 ppm apă clorură la 90 de grade de la 20,000+ ore la 2.000-5.000 de ore. SCC începe în 500-1000 de ore sub nivelurile normale de stres rezidual la adâncimi mai mari de 20 µm. Pentru serviciul cu clorură, inginerii care selectează 316 teci ar trebui să specifice o adâncime maximă a semnelor de șlefuire (de exemplu, mai mică sau egală cu 8 µm), sau echivalent o rugozitate maximă a suprafeței (de exemplu, Ra Mai mică sau egală cu 0,5 µm) și să solicite verificarea prin profilometrie. Pentru cele mai ostile condiții de clorură sau unde tensiunile reziduale nu pot fi minimizate, electrolustruirea pentru a îndepărta stratul de suprafață prelucrat la rece, zgâriat, îndepărtează concentratorii de tensiuni asociate cu semnele de șlefuire. Abordarea propusă aici leagă adâncimea marcajului de șlefuire cu momentele măsurabile de inițiere a SCC, permițând cumpărătorului să specifice tehnici de finisare a suprafeței care evită inițierea prematură a fisurilor la defectele de suprafață.