Millä spesifisellä vetojälkijännitysarvolla 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettu lämmittimen vaippa siirtyy passiivisesta halkeilun alkuun 500 ppm kloridivedessä 25 asteen lämpötilassa

Chloride SCC:n kynnysjännitys huoneenlämpötilassa

316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyn sähkölämmitysputken tapauksessa kloridipitoisessa vedessä ympäristön lämpötilassa (25 astetta) sovelluksissa, kuten lämmittämättömissä varastosäiliöissä, kylmän veden kiertojärjestelmissä tai kausiluontoisissa laitteissa, kloridijännityskorroosiohalkeilun (SCC) riskiä pidetään yleensä alhaisena, koska austeniittisten ruostumattomien terästen SCC vaatii yleensä yli 6 astetta. Myöhemmät kenttähäiriöt ja laboratoriokokeet ovat kuitenkin osoittaneet, että 316 voi halkeilla 25 asteessa 500 ppm:n kloridivedessä riittävän vetojännityksen ollessa läsnä, mutta kynnysjännitys on paljon suurempi kuin korkeissa lämpötiloissa. Keskeinen parametri on valmistuksen (veto, taivutus, oikaisu) jäännösvetolujuus sekä mahdollinen lisäjännitys. 25 °C:ssa halkeilua ei havaita alle rajajännityksen, joka on luokkaa 80-90 % materiaalin myötörajasta (165-185 MPa hehkutetulla 316:lla 205 MPa myötörajalla). Jos jännitys ylittää tämän tason, halkeamia kehittyy pitkien induktiojaksojen (6 kuukaudesta 2 vuoteen) jälkeen ja ne kasvavat hitaasti ja vaurioituminen tapahtuu 2-5 vuoden kuluttua. Tämä artikkeli tarjoaa huoneenlämpötilan SCC-kynnyksen, joka on 316 vaippaa 500 ppm kloridivedessä.

Matala{0}}lämpötilan SCC:n mekanismi

Ruostumattoman 316-teräksen SCC:lle kloridissa vaaditaan kolme ehtoa: herkkä mikrorakenne (sisältää yleensä jonkin verran kylmätyötä), jatkuva vetojännitys ja kloridi-ionit. Korkeissa lämpötiloissa (80{11}}150 astetta) SCC johtuu nopeasta kloridin siirrosta, hitaista uudelleenpassivointinopeuksista ja aggressiivisesta kemiasta halkeaman kärjessä. 25 asteessa SCC:n aktivointienergia ei ole nolla, mutta kinetiikka on huomattavasti hitaampaa. Suurin ero on, että halkeilun jännityskynnys kasvaa huomattavasti lämpötilan laskiessa. Tämä johtuu kriittisen murtokärjen jännitysnopeuden noususta aktiiviselle liukenemiselle, mikä vaatii suurempia kohdistettuja jännityksiä. Hehkutetun 316:n 25 °C:ssa 500 ppm:ssä Cl-:n kynnysjännitys on noin 165-185 MPa (saanto 80-90 %). Kylmätyöstetyllä 316:lla on pienempi kynnysjännitys, koska materiaalilla on suurempi myötöraja, mutta myös suurempi dislokaatiotiheys ja mahdollisesti jonkin verran martensiittia, joka toimii halkeamien alkamispaikoina.

25 astetta, 500 ppm kloridia määritetyt kynnysarvot SCC:lle

Seuraavat kynnyssuhteet määritettiin 316 ruostumattoman teräksen (U-taivutus- ja C-rengasnäytteet) vakiokuormitustestauksella 500 ppm kloridivedessä (pH 7,0, ilmastettu) 25 asteessa enintään 24 kuukauden ajan (17 520 tuntia).

Materiaalin kunnon myötölujuus (0,2 %:n poikkeama, MPa) 25 astetta SCC-kynnysjännitys 500 ppm:ssä Cl- (MPa)Kynnys prosentteina halkeilun alkamisajasta kynnysarvolla +10% (tuntia) SCC-aste riskiluokitus – 25
Täyshehkutettu (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10 000 Erittäin alhainen
Kevyt kylmätyö (10-15 %) 280 200-230 70-80% 5 000 - 10 000 alhainen
Kohtalainen kylmätyö (15-20 %) 350 230-260 65-75 % 2 000-5 000 Keskitaso
Raskas kylmätyö (20–25 %) 420 250-280 60-70% 1 000–2 000 korkea
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90 % 500-2000 (riippuen ylikuormituksesta) Korkea
Huoneen lämpötilan kynnysarvo kloridipitoisuuden funktiona

Kynnysjännitys pienenee kloridipitoisuuden kasvaessa. Kynnysjännitys 25-asteiselle hehkutetulle 316:lle kloridipitoisuuden funktiona on annettu seuraavassa taulukossa.

Kloridipitoisuus (ppm) SCC:n kynnysjännitys 25 asteessa (MPa, hehkutettu 316) Aika halkeilun alkamiseen kynnysarvolla +10 % (tuntia) Suositeltu suunnitteluraja<100 >205 (no cracking at yield) >50 000 (ei vaaraa) Rajoittamaton
100-200 190-205 20 000–50 000 Erittäin pieni riski.
200-500 175-190 10, 000–20 000 Hyväksyttävä jäännösstressin hallinnan kanssa
500-1000 160-175 5000-10000 Jäljellä oleva stressi<70% yield needed 1000-2000 140-160 2000-5000Stress Relief Recommendations 2,000-5,000 110-140 1,000-2,000 316 Not recommended for continuous stress >5,000 <110 <1,000 316 Not recommended; upgrade alloy
Käytännön rajat jäännösjännityksille kylmävesipalvelussa

Jäännösjännityksen enimmäisrajat on annettu 316 päällystetylle lämmittimelle kloridi-pitoisessa vedessä (200 - 1 000 ppm) ympäristön lämpötilassa (25 astetta).

Kloridipitoisuus (ppm) Suurin jäännösjännitys (MPa) 10- vuoden käyttöiän ajan Vastaava kylmätyöskentelyraja Muovauksen jälkeinen käsittely suositeltava<200 <205 (full yield) Any None Required
200-500 <150 <25% cold work None for straight portions
200-500 <120 (at bends) <15% extra bend stressStress alleviation for tight bends ( R/D<3)
500-1,000 <120 <15% cold work Stress relief 400oC 1 hr
500-1,000 <100 (at bends) <10% extra strainFull solution anneal after bending >1,000 <80 <5% cold work (just annealed) Full solution anneal necessary
Kenttä SCC:n tunnistus ympäristön lämpötilassa

316-lämmittimelle, joka epäonnistuu 25 asteen kloridikäytössä (200-1 000 ppm Cl-), SCC-halkeamia kehittyy normaalisti 1-3 vuoden jatkuvan tai ajoittaisen käytön jälkeen. Murtumat ovat transgranulaarisia (jyvien läpi) ja haarautuneita, kuten korkean lämpötilan SCC, mutta usein lyhyempiä ja vähemmän pitkiä. Murtuman pinnalla voi olla merkkejä halkeamien asteittaisesta leviämisestä (rantamerkit) ja vähän korroosiota. Usein alkupiste on paikassa, jossa on merkittävä jäännösjännitys: käyrän ulkosäde, kylmävedetty leikkaus, jossa on huomattava vähennys, tai hitsauslämmön vaikutusalue. Kun rikkinäisestä osasta mitataan jäännösjännitys röntgendiffraktiolla, arvot ovat yleensä yli 150-180 MPa. Tällaisissa vioissa vastaus on vaatia taivutuksen jälkeistä jännitystä (400 astetta 1 tunnin ajan) tulevia ostoksia varten, mikä vähentää jäännösjännitystä alle 100 MPa:n.

Erikoistapaus: Jaksottainen vs. jatkuva altistuminen

Jaksottainen altistuminen (kuivausjaksot) huoneenlämpötilassa, kloridipitoisuus kasvaa kuivauksen aikana, mikä nopeuttaa SCC:n muodostumista. Suurissa vedessä saattaa olla vain 500 ppm kloridia. Ajoittain kuivuvan lämmittimen pintakloridipitoisuudet voivat kuitenkin olla 5 000-10 000 ppm vesiviivalla, mikä alentaa kynnysjännitystä. Jaksottaisessa käytössä sallitun jäännösjännityksen on oltava puolet jatkuvan upotuksen jännityksestä.

Johtopäätös: Jäännösstressin hallinta ympäristön kloridipalvelulle

SCC:tä 316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyssä lämmittimessä 500 ppm:n kloridivedessä 25 asteessa havaittiin tapahtuvan, kun jatkuva vetojännösjännitys oli yli noin 165-185 MPa (80-90 % hehkutetun materiaalin saannosta). Kynnys tälle on korkea, mutta paikalliset jäännösjännitykset kylmätyöstä (taivutus, veto jne.) voivat olla suurempia kuin 200-300 MPa, mikä riittää aiheuttamaan halkeilun huoneenlämpötilassa 1-3 vuoden kuluttua. Klorideissa huoneenlämpötilassa käytettäessä insinöörien, jotka valitsevat 316 vaippaa, on harkittava muovauksen jälkeistä jännityksenpoistoa (400-450 astetta, 1 tunti) jäännösjännityksen vähentämiseksi, kun kloridi ylittää 500 ppm tai kun mutkat ovat tiukempia kuin R/D=3. Kloriditasoilla yli 1 000 liuoksen annetussa asteessa tai täydessä 25 ppm:ssä. duplex 2205 on ehdotettu. Tässä ehdotettu lähestymistapa yhdistää jäännösjännityksen mitattavissa oleviin SCC-kynnyksiin huoneenlämpötilassa, jolloin ostajat voivat tilata 316 vaippaa, jotka kestävät kloridihalkeilua jopa lämmittämättömässä käytössä.