Kuinka 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetun lämmittimen vaipan putken oikaisun jäännösjännitysprofiili muuttaa kloridijännityskorroosiohalkeilun kynnystä

Tahaton lähde: Oikaisuprosessin aiheuttama vetopintajännitys.

Rullaoikaisu on usein viimeinen vaihe 316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyn sähkölämmitysputken valmistusprosessissa ennen niiden leikkaamista ja taivuttamista. Tämä menettely poistaa kaarevuuden vedetystä (tai -hehkutetusta) putkesta viemällä sen offset-telojen läpi ja lisää monimutkaisen jäännösjännityksen profiilin putken pintaan. 50-200 MPa:n vetojännösjännityksiä vaipan seinämän uloimmille 50-150 µm kohdistetaan kunkin suoristustelan kosketuspisteen jännityspuolelle. Nämä jäännösvetolujoitukset lisäävät käytettyä vannejännitystä lämpölaajenemisen ja sisäisen paineen avulla kloridia sisältävissä ympäristöissä korotetussa lämpötilassa (yli 60 astetta) aiheuttaen jännityskorroosiohalkeilua (SCC) jännityksissä, jotka olisivat turvallisia jännitystä kevennetylle materiaalille. Tässä artikkelissa arvioidaan oikaisusta johtuvan jäännösjännityksen, kloriditason ja SCC:n alkamisajan välistä korrelaatiota ja tarjotaan spesifikaatiorajat jännityksen vähentämiselle oikaisun jälkeen syövyttävässä käytössä.

Oikaisua aiheuttava pintajännityksen mekanismi

Ruostumattomasta teräksestä valmistettu putki oikaistaan ​​telalla viemällä sarjan offset-telojen väliin, jotka muuttavat putkea plastisesti eri suuntiin. Vetojännitykset putken ulkokuiduissa vaihtelevat yleensä välillä 0,5 % - 2,0 % riippuen aloituskaarevasta ja oikaisutelan siirtymästä. Hehkutetussa ruostumattomassa 316-teräksessä, jonka myötöraja on noin 205 MPa, 0,5 %:n vetolujuusmuovijännitys vastaa 150–200 MPa:n jäännösjännitystä (75–100 % myötörajasta). Jäännösjännitysten jakautuminen on melko paikallista: suurimmat jännitykset näkyvät ohuessa pintakerroksessa (20-100 µm syvyydessä), koska oikaisumuodonmuutos on enimmäkseen elastista putken sydämessä ja plastinen vain pinnalla. Halkeamat ydintyvät pinnalla ja kasvavat bulkkijäännösjännityskenttään. Tämä ohut erittäin jännitetty kerros sopii täydellisesti SCC-aloitusta varten. Yleensä jäännösjännitysten suunta on aksiaalinen (putken pituutta pitkin) putken rullien kanssa kosketuksissa olevilla pinnoilla, kehäjännitysten ollessa telan koskettimen reunoilla. Aksiaaliset jäännösjännitykset ovat erityisen ongelmallisia lämmittimen vaipan kannalta, koska ne ovat samassa suunnassa kuin sisäisen paineen aiheuttama vannejännitys, jolloin nämä kaksi jännitystä muodostavat yhteensä murtuman kehittymistä kiihdyttävän nettovetolujuuden.

SCC-kynnyksen määrällinen lasku oikaisujännityksen vuoksi

Systemaattiset testit 316-letkulle kiehuvassa magnesiumkloridissa (154 astetta, standardoitu SCC-testi) osoittavat, että suoristetut letkut ilman jälki-oikaisua epäonnistuvat 20-50 tunnissa 200 MPa:n jännityksellä. Sama letku jännitystä vapautetussa tilassa (jäännösjännitys alle 30 MPa) kestää yli 500 tuntia. Käyttöolosuhteissa, jotka soveltuvat uppolämmittimiin - 90 asteen vesi, jossa on 1 000 ppm kloridia - tuloksena on yhtä merkittävät. 316 vaipat, joissa jännityskevennys kestää 1 000 ppm kloridia 5-8 vuoden ajan ilman SCC:tä. Suoristetut vaipat, joiden pintajännitys on yli 150 MPa, synnyttävät SCC-murtumia 12-24 kuukauden kuluessa samalla kloridipitoisuudella. Stressiä lievittävät vaipat kestävät ikuisesti 500 ppm kloridia. Oireet vaipat rikkoutuvat 3-5 vuodessa. Ratkaiseva kynnysyhdistelmä SCC:n käynnistykselle ilman oikaisuvoimia on 60 astetta ja 300 ppm kloridia. Yli 80 astetta yli 200 ppm ylittävän kloridipitoisuuden ja yli 100 MPa:n oikaisujäännösjännitysten yhdistelmä johtaa lopulta SCC:hen. Alla oleva taulukko näyttää ajan SCC:n käynnistymiseen jäännöspintajännityksen, kloridipitoisuuden ja lämpötilan funktiona.

Oikaisun aiheuttama jäännöspintajännitys (MPa) Kloridipitoisuus (ppm) Vaipan lämpötila ( aste ) Aika SCC-halkeaman alkamiseen (käyttötunteja) Aika rei'itykseen (1,5 mm seinä) Suositeltu toimenpide<30 (stress relieved) 1000 90 >70,000 (>8 years) >80 000 hyväksyttävää<30 (stress relieved) 2000 80 >50,000 >60 000Hyväksyttävä seurannassa 50-100 (lievä oikaisu) 500 90 20, 000-30 000 (2,5-3,5 vuotta) 25 000-40 000 Marginaali; stressin lievitystä suositellaan
50-100 (pieni oikaisu) 1000 80 15,000-20,000 (1,7-2,3 vuotta) 18 000-25 000 Ei suositella jatkuvaan käyttöön 100-150 (kohtalainen oikaisu) 300 90 10,000-15,000 (1,0-1,0) 0,0-1,0 Ei hyväksyttävä yli 80 astetta 100-150 (kohtalainen suoristus) 500 80 8,000-12 000 (0,9-1,4 vuotta) 10 000-15 000 Ei hyväksyttävää
150-200 (vakava oikaisu) 200 90 3 000-6 000 (4-8 kuukautta) 4 000-8 000 Ei hyväksytä millekään kloridille
150-200 (Vakava oikaisu) 500 70 5 000-10 000 (7-14 kuukautta) 6 000-12 000 Vaihda jännitystä kevennettyyn putkeen
Oikaisun jäännösstressin havaitseminen ja lievitys

Ostajilla, jotka määrittelevät 316 koteloituja lämmittimiä kloridikäyttöön, on kolme tapaa tarkistaa oikaisun jäännösjännitys. Ensimmäinen on ASTM G38 -standardikäytäntö U-taivutettujen näytteiden tuotannossa. Osa vastaanotetuista letkuista taivutetaan 180o tuurnan päälle ja upotetaan kiehuvaan magnesiumkloridiin. Jos halkeilu tapahtui 100 tunnin sisällä, oikaisun jäännösjännitys oli riittävä aiheuttamaan SCC ilman kohdistuvaa jännitystä. Toinen tekniikka on putken pinnan jäännösjännityksen havaitseminen röntgendiffraktiolla (XRD). Yli 100 MPa:n arvot viittaavat siihen, että jännityksen vähentäminen suoristuksen jälkeen on suositeltavaa. Kolmas ja helpoin menetelmä on ns Alle 30 MPa:n jäännösjännitykset yli 70 asteen lämpötiloissa käytettäville lämmittimille, joissa on yli 200 ppm klorideja, saadaan jälki-oikaisulla 400–500 asteessa 1–2 tunnin ajan. Täysi liuoshehkutus (1040 astetta) poistaa jäännösjännitteet kokonaan, mutta voi aiheuttaa letkun vääristymistä, ja se on yleensä tarkoitettu vain kriittisiin sovelluksiin. Ostajat voivat joutua tarkastamaan letkun toimittajan suorittaman jännityksenpoiston oikaisun jälkeen (tai että oikaisua ei tehdä hehkutetuille letkuille), mikä tarjoaa täytäntöönpanokelpoisen laadunvarmistuksen.

Tunnistautuminen SCC-alueella suoristuksen jäännöksistä

Oikaisujäämien syy erottuu halkeamien muodosta, kun lämmitin epäonnistuu SCC:n takia. Halkeamat syntyvät yleensä vaipan suorista osista, eivät mutkista tai hitseistä, oikaisun aiheuttamista jännityksistä. Ne ovat yleensä pitkittäisiä (eli putken akselin suuntaisia) ja voivat esiintyä useissa yhdensuuntaisissa viivoissa, jotka on erotettu toisistaan ​​5-15 mm, mikä vastaa rullan kosketuskuviota. Murtumat ovat transgranulaarisia (raerajoja ylittäviä) 316:lle kloridiympäristöissä yli 80 C suurennuksella ja SCC:llä tyypillinen haarautuminen. Murtumapinta ei ole kovin taipuisa. Jos viallinen lämmitin on peräisin oikaisun jälkeen jännitystä lievittämättömästä erästä ja käyttöolosuhteissa on yli 300 ppm klorideja yli 70 asteen lämpötiloissa, perimmäinen syy on varmasti oikaisun aiheuttama jäännösjännitys. Kaikki jäljellä olevat lämmittimet on poistettava käytöstä tai niitä on muutettava jännityksenpoistokäsittelyllä, jos mahdollista tällaisia ​​asennuksia varten.

Johtopäätökset: Jäännösstressin hallinnan määritelmä kloridipalvelulle

316 ruostumattomasta teräksestä valmistettuun putkiin telan oikaisun jälkeen lisätty jäännösjännitysprofiili on piilotettu muuttuja, joka voi laskea kloridin SCC-kynnystä kertoimella 3–5. Kuumat kloridiympäristöt halkeavat putken, jonka pinnan jäännösjännitys on yli 100 MPa 1 -}2 vuoden aikana, kun jännitys kestää 5 vuotta alle 5 vuotta. Kaikille palveluille, jotka koskevat yli 200 ppm:n klorideja ja yli 70 asteen lämpötiloja, insinöörien, jotka määrittelevät 316 vaippalämmittimen, on vaadittava jokin seuraavista: oikaisun jälkeinen jännityksenpoisto (400-500 astetta 1-2 tunnin ajan) tai todistus siitä, että putki on suoristettu täysin hehkutetussa tilassa telapoikkeaman minimoimiseksi. Ehdotettua runkoa voidaan käyttää estämään varhaisia ​​halkeiluvikoja, jotka yleensä johtuvat "materiaalin laadusta", mutta jotka itse asiassa johtuvat putken oikaisuun liittyvästä hallitsemattomasta jäännösjännityksestä, yhdistämällä oikaisuprosessi mitattavissa oleviin SCC-aloitusaikoihin.