Muuttaako 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettujen vaippaputkien kylmätaivutus U--muotoisille upotuslämmittimille pidättyneen austeniitin jännityksen-indusoiduksi martensiitiksi ja nopeuttaako pisteen muodostumista matalan-kloridin{4}}lämpöisessä vedessä?

Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen U{0}-muotoisten tai räätälöityjen taivutettujen 316-sähkölämmitysputkien muodostumisen metallurginen riski jätetään yleensä huomiotta korroosiostandardeissa. Taivutusprosessi, erityisesti käytettäessä pieniä säteitä kylmävedetyissä putkissa, johtaa plastiseen muodonmuutokseen, joka muuttaa metastabiilin säilyneen austeniitin muodonmuutos-indusoiduksi martensiitiksi. Tämä siirtymä vähentää taivutetun alueen tehollista pisteresistanssiekvivalenttilukua (PREN), vaikka perusmateriaali täyttää teknisesti 316 koostumusvaatimukset. Kokeellisten tietojen sähkökemiallinen testaus paljastaa, että 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettujen vaipan kylmätaivutettujen osien kriittiset pistepistelämpötilat (CPT) voivat olla 15-25 astetta alhaisemmat kuin samassa lämmössä taivutetuissa osissa. Sovelluksissa, joissa vedessä on vähän kloridia mutta korkea lämpötila (esim. 80 - 95 astetta C, 50 - 100 miljoonasosaa Cl⁻), tämä vähennys yleensä siirtää taivutetun alueen passiivisesta aktiiviseen pistesyöpymistilasta kuukausien kuluessa käytön jälkeen, mikä aiheuttaa ennenaikaisen lämmittimen toimintahäiriön. Tässä artikkelissa arvioidaan taivutussäteen, venymän aiheuttaman martensiittifraktion ja pistesyöpymisherkkyyden välistä yhteyttä ja tarjotaan valintakehys suunnittelijoille, jotka määrittelevät muotoiltuja 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettuja uppolämmittimiä kohtalaisen ankariin vesiympäristöihin.

Metallurginen jännitysmekanismi-Kylmätaivutetun ruostumattoman 316-teräksen aiheuttaman martensiitin
Ruostumattoman teräksen 316 austeniittinen rakenne on termodynaamisesti stabiili vain tietyllä pinoamisvikaenergialla. Martensiitin aloituslämpötilan (Ms) alapuolella mekaaninen muodonmuutos on kylmätyöstöprosessi, jossa syötetty energia riittää indusoimaan leikkaussiirtymän pinta-keskittyneestä kuutiomaisesta austeniitista ($\\gamma$) runko-keskitettyyn tetragonaaliseen martensiittiin ($\\alpha'$). Ruostumattoman teräksen 316 Ms lämpötila on noin -40 astetta. Kuitenkin venymän aiheuttamaa martensiittia havaitaan huoneenlämmössä aidon plastisen venymän vuoksi, joka ylittää kriittisen määrän. Taivuttaminen rasittaa vaipan ulkokuituja ja puristus sisäkuituihin. ε=t/2R Missä R on taivutussäde putken keskiviivaan nähden, t on seinämän paksuus ja ε on suurin plastinen jännitys vetopuolella. Standardin 12 mm:n ulkohalkaisijaltaan 1,2 mm:n seinämän paksuisen putken 2D-taivutuksessa keskiviivasäteeseen 24 mm ulomman kuidun jännitys on 0,05 (5 %). 15 mm:n säteellä (1,25D mutka) venymä kasvaa arvoon 0,08 (8 %). Fischer Feritscope -mittaukset osoittavat, että ruostumattomassa teräksessä 316 5 %:n vetojännitys johtaa noin 8-12 % a'-martensiittiin ja 8 %:n venymä johtaa 15-25 %:iin martensiittia.

Martensiitin tuotannossa on kaksinkertainen vaikutus korroosionkestävyyteen. Ensinnäkin martensiitti liukenee vähemmän kromiin ja molybdeeniin kuin austeniitti, ja se johtaa kromivajeisiin laikkuihin faasien rajoilla. Toiseksi martensiitti on katodinen faasi austeniitin suhteen, mikä johtaa galvaanisten mikrokennojen muodostumiseen ja viereisen austeniitin anodiseen liukenemiseen. Potentiodynaamiset polarisaatioskannaukset 100 ppm:n kloridiliuoksessa 80 asteessa osoittavat, että kylmätaivutetulla ruostumattomalla 316-teräksellä, jossa on 15 % martensiittia, on +150 mV vs. Ag/AgCl, kun taas saman materiaalin täysin uudelleenkiteytetyssä tilassa pistekorkeuspotentiaali on +350 mV. 200 mV:n muutos tarkoittaa, että taivutettu alue tarvitsee paljon vähemmän anodista polarisaatiota kuoppien aloittamiseksi.

Kvantitatiivinen suhde taivutussäteen ja pisteen keston välillä
U-:n muotoisille 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettuihin lämmittimiin (paksuus 1,5 mm, halkaisija 12 mm) tehtiin kontrolloidut upotuskokeet synteettiseen jäähdytysveteen (80 ppm Cl−, 200 ppm SO42−, pH 7,2, 85 astetta), jotta voidaan osoittaa, että kukin toimintahäiriökuvioiden toimintasäde kuumennetusta pinnasta oli a f funktiona: 8 W/cm 2 . Vika määriteltiin rei'itykseksi, joka johtui ulommassa mutkan kärjessä olevasta kuoppasta.

Taivutussäde 36 mm (3D, venymä≈3,3 %): Keskimääräinen pistevika 2100 tunnin jälkeen. Martensiittipitoisuus taivutetussa kärjessä 6 % Usein aloitus, hidas eteneminen.

Taivutussäde 24 mm (2D, venymä 5,0 %): Keskimääräinen pistemurtuminen 1150 tunnin jälkeen Martensiittipitoisuus: 11 % Kuopat ydintyivät ensisijaisesti vetopuolen jännityshuipuissa.

Taivutussäde 18 mm (1,5D, venymä 6,7 %). Keskimääräinen pistevika 550 tuntia. martensiittipitoisuus 18 %; Paikallista korroosiota 2 mm:n renkaassa ulkokaaressa.

Taivutussäde 12 mm (1D, venymä 10 %): keskimääräinen pistevika 180 tunnin jälkeen. Martensiittipitoisuus: 27 %. Nopea rei'itys ja joissakin tapauksissa halkeamia.

Sovelluksissa, joissa prosessiveden kloridipitoisuudet (300{3}}500 ppm) ovat suuremmat, pistekorvauksen kestoikä kullakin taivutussäteellä lyhenee toisella kertoimella 2-3. Vaihtoehtoisesti, kun veden lämpötila on alle 50 astetta, martensiitin aiheuttama pistekiihtyvyys on merkityksetön, koska kriittinen pistekorkeuslämpötila on korkeampi kuin työlämpötila jopa taivutetuissa osissa.

Paikallisen pistesyöpymisen lämpö- ja mekaaniset vaikutukset mutkissa.
Suunnittelu, joka keskittyy jännityksen taivutussäteeseen, tekee pistelyönnin epäonnistumisesta erityisen hankalaa. Kun kuoppa murtuu vaipan seinämän läpi, sisäinen lämmityselementti (yleensä NiCr- tai FeCrAl-lanka) altistuu prosessinesteelle. Vesipohjaisissa järjestelmissä tämä aiheuttaa välittömän maasulun ja lämmittimen sammumisen. Eristetyt kuumat pisteet kehittyvät kuitenkin osittaisen-paksuuden kuoppiin jo ennen täydellistä rei'itystä, koska kuopan pohjassa jäljellä oleva seinämäpaksuus on suurempi lämpövastuksen ja paikallisen virrantiheyden vuoksi. Kiukaan infrapunatermografia, jonka seinämän tunkeutuminen mutkassa on 30 %, osoittaa pinnan lämpötilan nousevan 35–50 astetta vaipan lämpötilaan mutkan ympärillä. Tämä kuuma piste lisää korroosiota ja voi aiheuttaa sisäisen vastuslangan palamisen-paikallisen ylikuumenemisen vuoksi. Jopa paineistetuissa järjestelmissä osittainen syvyys kuoppa voi toimia jännityksen nousuna ja aiheuttaa väsymishalkeamia, kun lämmitin altistetaan lämpökierrolle.

Taivutuksesta aiheutuvat jäännösvetot aiheuttavat myös jännityskorroosiohalkeilua (SSC) tietyissä olosuhteissa. Jäljellä olevan vetojännityksen (tyypillisesti 100-250 MPa ulkokuidun taivutuskohdassa), martensiitin ja kohonneen lämpötilan yhdistelmä aiheuttaa synergistisen murtumismekanismin kloridi-pitoisissa olosuhteissa ruostumattomalle 316-teräkselle. Tapaushistoriat ovat saatavilla kemiallisista panosreaktoreista, joissa U--muotoiset 316-lämmittimet, taivutettu 1,5D-säteeseen 200 ppm Cl-palvelussa 95 asteessa, epäonnistuivat transgranulaarisen SCC:n alla 300 tunnin kuluttua, kun taas identtiset 3D-säteeseen taivutetut lämmittimet toimivat lähes 300 tuntia ilman halkeilua.

Taivutussäteen valintaopas kloriditason ja käyttölämpötilan mukaan
Seuraava päätösmatriisi auttaa insinöörejä määrittämään vähimmäistaivutussäteet U--muotoisille ja räätälöityille-316 ruostumattomasta teräksestä valmistettaville sähkölämmitysputkille. Kullekin kloridipitoisuuden ja vaipan maksimilämpötilan yhdistelmälle annetaan suositeltu R/t-suhde (taivutussäde jaettuna putken ulkohalkaisijalla) martensiitin kehittymisen rajoittamiseksi alle 5 %:iin.

Suurin kloridipitoisuus (ppm) Suurin vaipan lämpötila ( aste ) Suositeltu pienin taivutussäde (useita putken ulkohalkaisijaa) Ennustettu pistelys-Vapaa käyttöikä (tuntia)Tarvitseeko jälkikäsittelyn-taivutuksen lämpökäsittely?
< 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 Pakollinen + harkitse seosten päivitystä (Incoloy 825) > 600 > 100 4.5 D > 500 Pakollinen + harkitse seosten päivitystä (Incoloy 825) > 600 > 100 5.0 D > 400 Harkitse allocoloye +8 Harkitse allocoloye 600 > 100 6.0 D > 300 Pakollinen + harkitse seosten päivitystä (Incoloy 825) > 600 > 100 7.0 D > 200 Pakollinen + harkitse seosten päivitystä (Incoloy 825) > 600 > 100 8.0 D > +100 Harkitse alloygrade8. 600 missä tahansa lämpötilassa Älä kylmätaivuta, käytä suoria lämmittimiä tai kuuma{31}}muovattuja mutkia. Ei sovellu Käytä 316 suoraa tai vaihda kestävämpään metalliseokseen
Sovelluksissa, joissa vaaditaan pienikokoisia U-taivutuksia, jotka ovat pienempiä kuin 2,5D kohtalaisissa kloridiolosuhteissa, valmistajat voivat käyttää post-taivutusliuoshehkutusmenettelyä, kuumennusta 1050 asteeseen ja sen jälkeen nopeaan vesisammutukseen jännittyneen rakenteen uudelleenkiteyttämiseksi ja martensiitin poistamiseksi. Valmiiden lämmitinkokoonpanojen ratkaisu-hehkutus ei kuitenkaan yleensä ole mahdollista, koska sisäpuolen lämmityselementti ja päätetiivisteet eivät kestä näitä lämpötiloja. Näissä olosuhteissa käytännöllinen vastaus olisi määrittää suurempi taivutussäde tai muovattavampi, mutta silti korroosionkestävä metalliseos, kuten 316Ti (johon on lisätty titaania karbidien stabiloimiseksi ja vähemmän taipumusta muodostaa martensiittia).

Lisävaiheet taivutukseen liittyvän{0}}korroosion vähentämiseksi
Kun suunnittelurajoitukset edellyttävät kapeaa taivutussädettä 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettuun vaippaan, kolmella teknisellä menetelmällä voidaan osittain palauttaa korroosionkestävyys. Ulomman kuidun venymä on verrannollinen t/R:ään. Siten mitä paksumpi putken seinämä on ennen taivutusta, sitä pienempi on ulkokuidun jännitys tietyllä taivutussäteellä. 1,8 mm:n seinäputkella, joka on taivutettu 1,5D-säteeseen, on pienempi jännitys kuin 1,2 mm:n seinäputkessa, joka on taivutettu samalle säteelle. Tämä johtaa martensiitin tuotannon vähenemiseen noin 30 %. Toiseksi vähähiilisen 316L:n (enintään 0,03 % C) määrittäminen 316:n (0,08 % C) sijaan lisää herkistymiskestävyyttä taivutuksen ja myöhemmän hitsauksen aikana, mutta ei suoraan estä martensiitin muodostumista. Kolmanneksi taivutuksen jälkeinen sähkökiillotus poistaa ohuen pintakerroksen (20–50 µm), jossa on suurin martensiitin tiheys ja muodonmuutoksen aiheuttamat viat. Sähkökemialliset testaukset osoittavat, että 1,5D-kaaren sähkökiillotus tuo pistesyttymispotentiaalin 50 mV:iin taivuttamattomasta tilasta ja pidentää käyttöikää kolminkertaisesti kiillottamattomiin mutkeihin verrattuna.

Taivutussäde Heavy Duty 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetuille uppolämmittimille
Suunnittelijoiden, jotka pyytävät tarjousta U--muotoisista tai mukautetusta ruostumattomasta teräksestä valmistetuista sähkölämmitysputkista, tulee määrittää pienin taivutussäde putken ulkohalkaisijan kerrannaisina, odotettu kloridipitoisuus ja prosessinesteen enimmäiskäyttölämpötila. Älä usko, että valmistajan standardi taivutussäde on OK vesikemiallesi (yleensä 2D tai 1,5D). Uusille asennuksille, joiden veden kovuus ja kloridipitoisuudet ovat tyypillisiä kunnallisille toimituksille (50-150 ppm Cl-, 60-80 asteen käyttölämpötila), varmistavat vähintään 3D-taivutussäteen, joka varmistaa alle 5 %:n martensiittipitoisuuden ja ennustetun pistesyöpymisvapaan -10 tunnin,00 yli 00 tunnin. Jos tilanrajoitukset edellyttävät 2,5D:tä tiukempia taivutuksia, pyydä toimittajalta venymän aiheuttamia martensiittimittauksia (ferriittiskooppi tai röntgendiffraktio) näytetaivutuksille ja harkitse sähkökiillotusta tai taivutuksen jälkeistä jännityksenpoistomenettelyä. Käsittelemällä taivutussädettä suunnittelumuuttujana yhtäläisesti seinän paksuuden ja pinnan kiillotuksen kanssa, prosessiinsinöörit voivat estää ennenaikaisia ​​vikoja, jotka eivät johdu suorista osista, vaan jokaisen mutkan herkästä ulkokuidusta.