Kuinka 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetun vaipan seinämän paksuus vaikuttaa jäännösjännityksen jakautumiseen huuhtelun jälkeen ja sen vaikutukseen korroosioväsymyselämään meriympäristöissä?

Korroosioväsymys on erityisen aggressiivinen vikamekanismi sähkövastuslämmittimille, jotka merenkulkuinsinöörit ovat määritelleet offshore-lautoilla, laivajärjestelmissä ja rannikkoteollisuudessa, kun syklinen mekaaninen kuormitus ja kloridikorroosio yhdistetään. Korroosioväsymys johtaa halkeamien alkamiseen paljon pienemmillä jännitysamplitudeilla ja lyhyemmällä syklin eliniällä kuin puhdas väsyminen ilmassa tai puhdas korroosio staattisissa olosuhteissa. Taivutuksen synnyttämät jäännösjännitykset (joka tiivistää magnesiumoksidieristeen vastuslangan ympärille) ovat vuorovaikutuksessa käyttöjännitysten kanssa ja joko nopeuttavat tai hidastavat murtumien muodostumista niiden merkistä ja suuruudesta riippuen. Tässä artikkelissa kvantifioidaan vaipan seinämän paksuuden vaikutus jäännösjännityksen jakaantumiseen huuhtelun jälkeen ja näiden jäännösjännitysten vaikutus korroosion väsymisikään meriympäristössä.

Jäännösjännityksen syntyminen 316 vaipan siivoamisessa
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1,8 mm) iskeytymisvoima absorboituu enimmäkseen ulkokerroksiin ja suuria puristusjännityksiä syntyy vain ulkopinnan läheisyydessä, jolloin sisäkerroksissa ei ole vaikutusta. Sisäpinnan vetojännitykset vähenevät myös MgO:n vähemmän täydellisen tiivistymisen vuoksi. Röntgendiffraktiotutkimukset jäännösjännityksen 316 vaipan räjähdyksissä vahvistavat tämän korrelaation. 0,9 mm:n seinävaipan pinnan puristusjännitys oli -280 MPa. 1,5 mm:n seinävaippa oli -180 MPa. 2.0 mm seinävaippa paljastaa vain -120 MPa. Ohuemmalla vaipalla on edullisempi puristusjännitys ulkopinnalla, johon yleensä muodostuu korroosioväsymishalkeamia.

Jäännöspuristusjännityksen rooli korroosion väsymishalkeaman alkamisen hidastamisessa
Syklinen vetojännitys ja syövyttävä elektrolyytti sisältävät kloridit aiheuttavat ruostumattomassa teräksessä 316 korroosioväsymismurtuman. Halkeama alkaa pintakuopasta tai sulkeutumasta, jossa passiivinen suojapinnoite on epäonnistunut. Jos pinnalla on jäännöspuristusjännitystila, käytetyn syklisen vetojännityksen on voitettava tämä puristus tuottaakseen nettojännityksen halkeaman kärjessä. Tämä lisää merkittävästi halkeaman synnyttämiseen vaadittavaa jännitystä. Jos pinnan jäännöspuristus on -280 MPa ja kohdistettu syklinen jännitys on +200 MPa, niin pinnalla oleva verkko on -80 MPa. Tämä on edelleen puristavaa eikä voi aiheuttaa väsymishalkeamaa. Verkkojännitys on olemassa vain, jos syklinen jännitys on yli +280 MPa. Vertailun vuoksi: 2,0 mm:n vaippa, jonka pintapuristus on vain -120 MPa, on nettojännityksessä, kun kohdistettu jännitys on suurempi kuin +120 MPa, paljon matalampi kynnys. Korroosioväsymystestit synteettisessä merivedessä 60°C:ssa vahvistavat tämän vaikutuksen. Näytteet , joiden seinämäpaksuus oli 0,9 mm ja joilla oli huomattava jäännöspuristus , kestivät 10 miljoonaa jaksoa 250 MPa : n paineella , joita käytettiin vaihtelevalla jännityksellä ilman halkeilun alkamista . Samalla kuormituksella näytteet, joissa oli vähän jäännöspuristusta ja 2,0 mm:n seinämän paksuutta, epäonnistuivat 2 miljoonan syklin jälkeen. Ohuempi vaippa antoi viisi kertaa pidemmän korroosioväsymisiän alentuneesta absoluuttisesta seinämänpaksuudesta huolimatta.

Vaihto{0}}jäännösstressiedun ja seinän paksuuden marginaalin välillä
Ohuseinämäisten-vaippaiden etu on korroosioväsymys, mutta tämä on tasapainotettava alempaan materiaalimarginaaliin nähden, jos halkeama alkaa. 0,9 mm:n vaippa, jossa on huomattava jäännöspuristus, kestää halkeilun miljoonien jaksojen ajan. Jokaisessa halkeamassa, joka on voittanut jäännösjännityskentän joko suuren pintakuopan tai tilapäisen ylikuormituksen vuoksi, on kuitenkin vain 0,9 mm materiaalia etenemään ennen rei'itystä. 2,0 mm:n vaippa, jossa on vähemmän jäännöspuristusta, voi aiheuttaa halkeaman harvemmissa jaksoissa, mutta halkeaman on edettävä 2,0 mm, jotta se rikkoutuu. Kokonaiskesto rikkoutumiseen=Alkuaika + leviämisaika Korroosioväsymiskoe suolaisessa vedessä 60 °C:ssa pyörivässä palkkilaitteessa antaa seuraavat kokonaisjaksot rikkoutumiseen 10 mm:n ulkohalkaisijalla 316 vaippaa 200 MPa:n vaihtelevalla jännityksellä. 0,8 mm:n vaippa saavutti yhteensä 12 miljoonaa sykliä, 11,5 miljoonaa aloitusta ja 0,5 miljoonaa etenemistä. 1,2 mm:n vaippa kesti 8 miljoonaa sykliä, 7 miljoonaa initiaatiota ja 1 miljoona etenemistä. 1,6 mm:n vaippa kesti 5 miljoonaa sykliä (3 miljoonaa alkamista ja 2 miljoonaa etenemistä). 2,0 mm:n vaippa kesti 3,5 miljoonaa sykliä, joista 1,5 miljoonaa oli aloitusta ja 2 miljoonaa etenemistä. Ohuseinämäisellä-vaipalla on suurin jäännöspuristus ja pisin kokonaiskesto, vaikka etenemismarginaali on pieni.

Meriympäristö Korroosio Väsymys Life Selection Matrix
Seuraavassa taulukossa on esitetty suositellut 316 vaipan seinämäpaksuudet merenkulun sähkövastuslämmittimille riippuen arvioidusta syklisestä jännitysamplitudista ja tarvittavasta käyttöiästä. Arvot koskevat jatkuvaa altistusta merivedelle tai murtovedelle 30–60 °C:ssa sekä normaaleille huuhtelutekniikoille ilman jälki-hehkutusta.

Odotettu syklinen jännitysamplitudi vaadittu käyttöikä Suositeltu 316 vaipan seinämän paksuus hallitseva vikatila Suunnitteluperuste
Matala, alle 50 MPaYli 10 vuotta 1,2 – 1,6 mm Korroosio rakoissa Paksuus johtuu korroosiovarasta, jäännösjännitys hyötyy vähemmän merkittävästä
Kohtalainen, 50 – 150 MPa 5 – 10 vuotta 1,0 – 1,2 mm Korroosion väsymisen alkaminen Ohut seinämä antaa korkean jäännöspuristuksen halkeilun estämiseksi
Kohtalainen, 50–150 Mpa10 vuotta tai enemmän 1,4–1,6 mm jälki-swage-hehkutuksella Eteneminen alkuperästä Hehkutus vähentää jäännösjännityksen etua; käytä paksuusmarginaalia
Korkea, 150 – 250 MPa 3 – 5 vuotta 0,8 – 1,0 mm Korroosion väsymisen alkaminen Hyväksy lyhyt käyttöikä, suurin jäännöspuristus välttämätön
High, 150 – 250 MPa>5 vuotta316 Ei mahdollistaYlikuormitus tai nopea halkeilu Korvaa Incoloy 825:llä tai titaanilla
Muuttuva useilla ylilatauksilla Kaikki käyttöikä 1,6 – 2,0 mm Propag. odottamattoman halkeaman jälkeen Paksuusmarginaali suojaa odottamattomilta tapahtumilta
Sovelluksissa, joissa tärinä, lämpölaajenemisjaksot tai paineen muutokset aiheuttavat syklisiä jännityksiä, on tärkeää pystyä mittaamaan tai arvioimaan jännitysamplitudi. Mittauksen puuttuessa kohtalainen 100 MPa jännitystaso on varovainen oletusarvo. Näissä tapauksissa seinämän paksuus 1,2 mm antaa optimaalisen kompromissin jäännösjännityksen edun ja etenemismarginaalin välillä. Insinöörien tulisi myös harkita jälki-muovaushehkutuksen suosittelemista paksuseinäisille-vaippoille, joita käytetään korkean syklin{7}}sovelluksissa. Hehkutus 1050 asteessa poistaa kokonaan jäännösjännitykset ja siten ohuiden seinien korroosioväsymysedun, mutta myös sisäpinnan vetojäännösjännitykset, jotka voivat johtaa murtumien etenemiseen. Hehkutetulla 1,6 mm:n vaipalla on samanlainen kokonaisväsymisikä kuin hehkuttamattomalla 1,2 mm:n vaipalla, mikä tarjoaa vaihtoehtoisen lähestymistavan pitkän käyttöiän saavuttamiseen ilman ohuita seiniä. Ohuiden seinien, joissa on suuri jäännösjännitys, tai paksujen seinien valinta hehkutettuna, riippuu valmistuskyvystä ja kustannuksista. Useimmissa merisovelluksissa, joissa tärinää esiintyy, mutta se ei ole voimakasta, normaali hankaus tarjoaa luotettavan korroosioväsymiskyvyn ilman lisäkäsittelyä, jos seinämän paksuus on 1,2-1,4 mm.