Ce efort rezidual de întindere la suprafață maxim admisibil de la îndreptarea cu role a tubului de încălzire 316 previne crăparea coroziunii la stres în apă clorură de 200 ppm la 80 de grade timp de 10 ani

Factorul de-SCC pe termen lung: stresul rezidual cauzat de îndreptare

Pentru tuburile electrice de încălzire învelite în oțel inoxidabil 316 care sunt produse după tragere sau recoacere prin îndreptare cu role, efortul rezidual de tracțiune la suprafață care este introdus de procesul de îndreptare cu role este adesea cel mai important factor care controlează susceptibilitatea cracarea la coroziune sub tensiune (SCC) în serviciul cu clorură caldă. În funcție de curbura inițială a tubului, deplasarea rolei și numărul de treceri de îndreptare, îndreptarea rolei poate duce la tensiuni de întindere la suprafață de 50-250 MPa. Tensiunea de tracțiune de prag pentru SCC începe în 316 în 200 ppm apă clorură la 80 de grade este de aproximativ 120-120-160 MPa. Tensiunea de tracțiune reziduală maximă admisă la suprafață pentru o durată de viață de 10 ani fără SCC este de 100 MPa. Fisurile încep în 1-3 ani peste 120 MPa, luni peste 150 MPa. Legătura dintre stresul rezidual indus de îndreptare, timpul de inițiere a SCC și durata de viață în condiții de clorură diluată este cuantificată în acest articol.

Mecanismul tensiunii de suprafață datorată îndreptării

Îndreptarea cu role deformează plastic suprafața tubului în tensiune și compresie alternativă pentru a elimina curbura. La fiecare punct de contact al rolei, fibrele exterioare ale tubului sunt supuse unor tensiuni de tracțiune de la 0,2 la 1,5% în general, în funcție de gradul de îndreptare. Pentru oțelul inoxidabil 316 cu o limită de curgere de aproximativ 205 MPa (recoacet) până la 450 MPa (prelucrat-la rece), aceste tulpini produc tensiuni reziduale de 50 MPa (îndreptarea ușoară a tubului drept) până la 250 MPa (îndreptarea grea a tubului curbat). Profilul de tensiuni reziduale este foarte localizat la suprafata, cu cele mai mari solicitari in cei 20-100 lm exterior ai peretelui. Acest strat subțire, foarte tensionat, este foarte potrivit pentru inițierea SCC, deoarece fisurile se nucleează în apropierea suprafeței și se propagă prin câmpul de stres rezidual. În schimb, tensiunile reziduale nu se reduc considerabil în timp la 80 de grade.

Corelația cantitativă între stresul de îndreptare și viața SCC la 80 de grade

Testarea sistematică SCC (încărcare continuă, specimene îndoite în U) a tuburilor 316 cu niveluri de stres rezidual de suprafață reglate (măsurate prin difracție de raze X) în apă clorură de 200 ppm (pH 7,5, aerată) la 80 de grade a arătat următorii timpi de inițiere și propagare.

Max. Tensiune reziduală de întindere la suprafață de la îndreptare (MPa) Tensiune ca % din curgere (recoace 316, 205 MPa) Timp până la inițierea fisurii SCC (ore, 80 grade, 200 ppm Cl-) Timp până la perforare (1,5 mm perete, ore) Durată totală de viață (an de service)<50 <25% >80,000 >100,000 >11 ani Da 50-75 25-37% 50.000-80,000 60,000-100.0007-11 ani Da 75-100 37-49% 30.000-50,000 40,000-70,000 5-8 ani OK pentru 10 ani? 100-120 49-59% marginal 15.000-30,000 20,000-45,000 2-5 ani Nimic (10 ani)
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
Influența grosimii peretelui asupra toleranței la solicitarea reziduală

Pereții mai groși distribuie stresul de la îndreptare în mod diferit, astfel încât au mai mult material pentru a susține creșterea fracturilor. Tabelul de mai jos indică solicitarea reziduală maximă permisă pentru îndreptare pentru o durată de viață de 10 ani, în funcție de grosimea peretelui.

Grosimea peretelui (mm) Efort rezidual maxim admisibil de la îndreptare pentru o durată de viață de 10 ani (MPa) Lucru maxim echivalent la rece permis de la îndreptare (%)
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 Specificații practice - Îndreptarea după recoacere

Următorii parametri de îndreptare trebuie menționați în documentele de achiziție pentru încălzitoarele cu manta 316 pentru funcționare cu clorură caldă (80 grade, 200 ppm Cl⁻):

Starea tubului înainte de îndreptare Efort rezidual maxim de suprafață după îndreptare (MPa) Metoda de îndreptare Metoda de verificare
Difracție de raze X-100% recoaptă (fără stres) pe probă Mai multe treceri, decalaj mic al rolei
Tras ușor la rece (10-15% CW) 80 Offset redus al rolei Ferritescope+XRD
60 O singură trecere, decalaj mic
Ca-îndoit (nu a fost îndreptat anterior) 80 (măsurat pe secțiune dreaptă) Îndreptați numai dacă este necesar. XRD necesară
Validarea tensiunii reziduale în țevile îndreptate

Cumpărătorii care doresc niveluri de stres rezidual certificat au trei tehnici de verificare. Prima este difracția de raze X-(XRD), care oferă măsurare directă a tensiunii reziduale de suprafață cu o precizie de ±20 MPa. Al doilea este testul de îndoire U-ASTM G38 în care o probă din tubul-primit este îndoită la 180 de grade și apoi scufundată în clorură de magneziu la fierbere (154 de grade) sau, pentru condiții mai comparabile, în 200 ppm de clorură la 80 de grade. Fisurarea are loc în decurs de 100 de ore în MgCl 2 sau 2.000 de ore în soluția de simulare-de serviciu, atunci când tensiunea reziduală este peste 100–120 MPa. A treia metodă este măsurarea permeabilității magnetice: stresul rezidual indus de îndreptare în 316 nu este direct legat de permeabilitate, dar poate fi detectată dezvoltarea localizată a martensitei la stres maxim. Pentru aplicațiile cruciale, cea mai mare încredere este obținută prin măsurători XRD pe un singur eșantion din fiecare lot de producție.

Diagnosticul de câmp al SCC de la îndreptare

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. Remediul acestor defecțiuni este specificarea, pentru viitoare achiziții, a unui recoacere de detensionare post-îndreptare (400-450 grade timp de 1-2 ore) care să minimizeze stresul rezidual cu 50-70% fără a modifica în mod apreciabil calitățile mecanice.

Interrelația dintre tensiunile reziduale de îndreptare și încovoiere

Dacă un încălzitor este fabricat drept (înainte de îndoire) și ulterior îndoit până la forma finală, deformațiile reziduale din ambele proceduri pot contribui. Cea mai mare tensiune reziduală generală este adesea observată la raza exterioară de îndoire pe partea care a suferit deformare la îndreptare. Pentru astfel de încălzitoare, efortul de îndreptare admisibil ar trebui redus în continuare. Un criteriu conservator este ca suma tensiunii reziduale de îndreptare și a tensiunii reziduale de încovoiere (măsurată în același loc) să nu fie mai mare de 100 MPa pentru o durată de viață de 10-ani în 200 ppm Cl- la 80 de grade.

Concluzie: Specificație pentru stresul de îndreptare scăzut al serviciului de clorură

Pragul esențial pentru pornirea SCC pentru încălzitoarele cu carcasă din oțel inoxidabil 316 în 200 ppm apă clorură la 80 de grade este o tensiune reziduală la tracțiune la suprafață de ~100-120 MPa. Pentru tensiuni de îndreptare care depășesc 120 MPa începerea ruperii are loc după 1-3 ani și pentru deformari sub 100 MPa se obține o durată de viață de 10 ani. Pentru serviciul cu clorură caldă, inginerii care specifică 316 teci ar trebui să specifice îndreptarea tubului cu decalaj minim al rolei, verificarea tensiunii reziduale prin XRD pe tuburile de probă și o recoacere de reducere a tensiunii după îndreptare (400 de grade timp de 1 oră) dacă clorura depășește 200 ppm sau temperatura depășește 70 de grade. Abordarea propusă aici leagă stresul rezidual indus de îndreptare cu timpii de pornire și perforare SCC măsurabili, permițând cumpărătorilor să specifice tehnicile de fabricație pentru a evita această sursă ascunsă, dar semnificativă, de risc de fisurare.