Transformuje ohýbanie 316 rúrok z nehrdzavejúcej ocele za studena pre ponorné ohrievače v tvare U-zadržaný austenit na martenzit vyvolaný namáhaním-a urýchľuje tvorbu jamiek vo vode s nízkou-chloridmi a vysokou-teplotou?

Metalurgické riziko vytvárania elektrických vykurovacích rúr z nehrdzavejúcej ocele 316 v tvare U -alebo na mieru ohýbaných rúrok sa v štandardných požiadavkách na koróziu bežne neberie do úvahy. Proces ohýbania, najmä pri použití malých polomerov na rúrkach ťahaných za studena, vedie k plastickej deformácii, ktorá premieňa metastabilný zadržaný austenit na martenzit vyvolaný deformáciou. Tento prechod znižuje efektívny ekvivalentný počet bodovej odolnosti (PREN) ohnutej oblasti, aj keď základný materiál technicky spĺňa požiadavky na zloženie 316. Elektrochemické testovanie experimentálnych údajov odhaľuje, že kritické bodové teploty (CPT) v častiach ohýbaných za studena plášťov z nehrdzavejúcej ocele 316 môžu byť o 15-25 stupňov nižšie ako neohnuté časti z rovnakého tepla. V aplikáciách, kde má voda nízky obsah chloridov, ale vysokú teplotu (napr. 80 až 95 stupňov C, 50 až 100 častíc na milión Cl⁻), toto zníženie obyčajne posunie ohnutú zónu z pasívneho do aktívneho stavu bodkovania v priebehu mesiacov prevádzky, čo spôsobí predčasné zlyhanie ohrievača. Tento článok hodnotí súvislosť medzi polomerom ohybu, namáhaním vyvolanou frakciou martenzitu a náchylnosťou na tvorbu jamiek a poskytuje rámec výberu pre konštruktérov, ktorí špecifikujú tvarované ponorné ohrievače z nehrdzavejúcej ocele 316 pre mierne drsné vodné prostredie.

Metalurgický mechanizmus deformácie-indukovaný martenzitom v za studena ohýbanej nehrdzavejúcej oceli 316
Austenitická štruktúra nehrdzavejúcej ocele 316 je termodynamicky stabilná iba pri určitej energii vrstvenia. Pod počiatočnou teplotou martenzitu (Ms) je mechanická deformácia procesom opracovania za studena, pri ktorom je dodaná energia dostatočná na vyvolanie šmykového prechodu z tvárne -centrovaného kubického austenitu ($\\gamma$) na telo-centrovaný tetragonálny martenzit ($\\alpha'$). Teplota Ms nehrdzavejúcej ocele 316 je približne -40 stupňov . Martenzit vyvolaný namáhaním je však pozorovaný pri izbovej teplote pre skutočné plastické napätie v kritickom množstve. Ohýbanie spôsobuje namáhanie vonkajších vlákien plášťa a stláčanie vnútorných vlákien. ε=t/2R Kde R je polomer ohybu k osi rúry, t je hrúbka steny a ε je maximálne plastické napätie na ťahovej strane. Pre 2D ohyb štandardnej trubice s vonkajším priemerom 12 mm s hrúbkou steny 1,2 mm s polomerom stredovej čiary 24 mm je napätie vonkajšieho vlákna 0,05 (5 %). Pri polomere 15 mm (1,25D ohyb) sa napätie zvýši na 0,08 (8 %). Merania pomocou Fischer Feritscope ukazujú, že v prípade nehrdzavejúcej ocele 316 ťahové napätie 5 % vedie k približne 8-12 % a' martenzitu a 8 % deformácie vedie k 15-25 % martenzitu.

Produkcia martenzitu má dvojaký vplyv na odolnosť proti korózii. Po prvé, martenzit je menej rozpustný v chróme a molybdéne ako austenit a výsledkom sú miesta ochudobnené o chróm na hraniciach fáz. Po druhé, martenzit je katódová fáza vzhľadom na austenit, čo vedie k tvorbe galvanických mikročlánkov a anodickému rozpúšťaniu susedného austenitu. Potenciodynamické polarizačné skeny v 100 ppm roztoku chloridu pri 80 stupňoch naznačujú, že za studena ohýbaná nehrdzavejúca oceľ 316 s 15 % martenzitu má potenciál jamkovej korózie +150 mV oproti Ag/AgCl, zatiaľ čo rovnaký materiál v úplne rekryštalizovanom stave má potenciál jamkovej jamky +350 mV. Zmena 200 mV znamená, že ohnutá oblasť potrebuje oveľa menej anodickej polarizácie na iniciáciu jamiek.

Kvantitatívny vzťah medzi polomerom ohybu a životnosťou bodkovania
Ohrievače z nehrdzavejúcej ocele 316 v tvare písmena U (hrúbka 1,5 mm, priemer 12 mm) boli podrobené experimentom s riadeným ponorením do syntetickej chladiacej vody (80 ppm Cl-, 200 ppm SO42-, pH 7,2, 85 stupňov), aby sa demonštrovali vzory porúch v závislosti od polomeru ohybu: každý ohrievač bol prevádzkovaný pri {10 W tepelnom toku/8 cm Fail} definovaná ako perforácia spôsobená jamkami na vonkajšom vrchole ohybu.

Polomer ohybu 36 mm (3D, deformácia≈3,3 %): Priemerná jamková porucha po 2100 h. Obsah martenzitu na ohnutom vrchole 6 % Iniciácia viacerých miest, pomalé šírenie.

Polomer ohybu 24 mm (2D, deformácia 5,0 %): Priemerná jamková porucha po 1150 h Obsah martenzitu: 11 % Jamky prednostne tvorené na vrcholoch deformácie na strane ťahu.

Polomer ohybu 18 mm (1,5D, deformácia 6,7 ​​%). Priemerné zlyhanie jamiek 550 hodín. obsah martenzitu 18 %; Lokalizovaná korózia v 2 mm krúžku na vonkajšom ohybe.

Polomer ohybu 12 mm (1D, deformácia 10 %): priemerná jamková porucha po 180 hodinách. Obsah martenzitu: 27 %. Rýchla perforácia s praskaním v niektorých prípadoch.

V aplikáciách s vyššou koncentráciou chloridov (300-500 ppm) v procesnej vode sa životnosť jamkovej jamky pri každom polomere ohybu znižuje o ďalší faktor 2-3. Alternatívne, pre teplotu vody pod 50 stupňov je zrýchlenie bodovej korózie vyvolané martenzitom nevýznamné, pretože kritická teplota bodovej korózie je vyššia ako pracovná teplota aj pre ohnuté časti.

Tepelné a mechanické účinky lokalizovaných jamiek v ohyboch.
Konštrukcia, ktorá sústreďuje napätie na polomer ohybu, spôsobuje, že zlyhanie jamkovej jamky je obzvlášť problematické. Keď jamka prerazí stenu plášťa, vnútorný vykurovací článok (zvyčajne NiCr alebo FeCrAl drôt) je vystavený procesnej tekutine. V systémoch na báze vody to generuje okamžitú zemnú poruchu a vypnutie ohrievača. Izolované horúce miesta sa však v jamkách s čiastočnou hrúbkou -vyvinú ešte pred úplnou perforáciou v dôsledku vyššieho tepelného odporu a lokalizovanej hustoty prúdu v zostávajúcej hrúbke steny na dne jamy. Infračervená termografia ohrievača s 30% penetráciou steny v ohybe ukazuje zvýšenie povrchovej teploty o 35–50 stupňov oproti teplote plášťa okolo ohybu. Toto horúce miesto zvyšuje koróziu a môže spôsobiť prepálenie-vodiča vnútorného odporu v dôsledku lokálneho prehriatia. Dokonca aj v tlakových systémoch môže čiastočná hĺbka slúžiť ako zvyšovač napätia a iniciovať únavové trhliny, keď je ohrievač vystavený tepelným cyklom.

Zvyškové ťahové napätia vyvolané ohybom tiež spôsobujú za určitých podmienok korózne praskanie (SSC). Kombinácia zvyškového napätia v ťahu (zvyčajne 100-250 MPa na vonkajšom vlákne ohybu), martenzitu a zvýšenej teploty spôsobuje v prípade nehrdzavejúcej ocele 316 synergický mechanizmus zlyhania v podmienkach obsahujúcich chlorid-. Histórie prípadov sú dostupné pre chemické vsádzkové reaktory, kde ohrievače 316 v tvare U, ohnuté na 1,5D polomery pri 200 ppm Cl pri 95 stupňoch, zlyhali pod transgranulárnym SCC po 300 hodinách, zatiaľ čo rovnaké ohrievače ohnuté na 3D polomery fungovali takmer 3 000 hodín bez praskania.

Sprievodca výberom polomeru ohybu podľa hladiny chloridu a prevádzkovej teploty
Nasledujúca rozhodovacia matica pomáha inžinierom pri definovaní minimálnych polomerov ohybu pre elektrické vykurovacie rúrky z nehrdzavejúcej ocele 316 v tvare U -na zákazku{1}. Pre každú kombináciu koncentrácie chloridov a maximálnej teploty plášťa sa uvádza odporúčaný minimálny pomer R/t (polomer ohybu delený vonkajším priemerom rúrky), aby sa obmedzil vývoj martenzitu na menej ako 5 %.

Maximálna koncentrácia chloridu (ppm) Maximálna teplota plášťa (stupeň) Odporúčaný minimálny polomer ohybu (viacnásobný vonkajší priemer trubice) Predpokladaná tvorba jamiek-Voľná ​​životnosť (hodiny)Potrebujete po tepelnom spracovaní ohybom-?
< 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 Vyžaduje sa + zvážiť upgrade zliatiny (Incoloy 825) > 600 > 100 4.5 D > 500 Vyžaduje sa + zvážiť upgrade zliatiny (Incoloy 825) > 600 > 100 5.0 D > 400 Vyžaduje sa + zvážiť upgrade zliatiny (Incoloy 80} >{81250} >6) >{81250} >6 Vyžaduje sa 300 + zvážte upgrade zliatiny (Incoloy 825) > 600 > 100 7.0 D > 200 Vyžaduje sa + zvážte aktualizáciu zliatiny (Incoloy 825) > 600 > 100 8.0 D > 100 Vyžaduje sa + zvážte ohyb zliatiny (Incoloy 825) 600} nepoužíva sa žiadna studená teplota ohyby Nevhodné Použite 316 rovno alebo prejdite na odolnejšiu zliatinu
Pre aplikácie vyžadujúce kompaktné U-ohyby menšie ako 2,5D v miernych chloridových podmienkach sa môžu výrobcovia rozhodnúť použiť postup po-ohybovom žíhaní, zahriatie na 1050 stupňov, po ktorom nasleduje rýchle ochladenie vodou, aby sa napnutá štruktúra rekryštalizovala a odstránil martenzit. Riešenie-žíhanie hotových zostáv ohrievača však zvyčajne nie je možné, pretože vnútorné vykurovacie teleso a tesnenia zakončenia neznesú tieto teploty. Za týchto okolností by praktickou odpoveďou bolo špecifikovať väčší polomer ohybu alebo tvárnejšiu, ale stále -odolnú zliatinu, ako je 316Ti (do ktorej je pridaný titán na stabilizáciu karbidov a menšiu tendenciu vytvárať martenzit).

Ďalšie kroky na zníženie ohýbania-súvisiacej korózie
Keď konštrukčné obmedzenia vyžadujú úzky polomer ohybu na plášti z nehrdzavejúcej ocele 316, môžu tri technické metódy čiastočne obnoviť odolnosť proti korózii. Napätie vo vonkajšom vlákne je úmerné t/R. Čím hrubšia je stena rúrky pred ohybom, tým menšie je napätie vo vonkajšom vlákne pre daný polomer ohybu. 1,8 mm stenová rúrka ohnutá na polomer 1,5 D má menšie napätie ako 1,2 mm stenová rúrka ohnutá na rovnaký polomer. Výsledkom je zníženie produkcie martenzitu približne o 30 %. Po druhé, špecifikácia nízkouhlíkového 316L (maximálne 0,03 % C) na rozdiel od 316 (0,08 % C) zvýši odolnosť voči senzibilizácii počas ohýbania a akéhokoľvek následného zvárania, ale priamo nezabráni tvorbe martenzitu. Po tretie, operácia elektrolytického leštenia po ohybe eliminuje tenkú povrchovú vrstvu (20 – 50 µm) s maximálnou hustotou martenzitu a deformáciami{18} spôsobenými chybami. Elektrochemické testovanie naznačuje, že elektrolytické leštenie 1,5D ohybu prináša potenciál jamkovej jamky do 50 mV neohnutého stavu a zvyšuje životnosť trojnásobne oproti nelešteným ohybom.

Polomery ohybu pre Heavy Duty 316 nerezové ponorné ohrievače
Konštruktéri, ktorí požadujú cenové ponuky na elektrické vykurovacie rúrky z nehrdzavejúcej ocele 316 v tvare U alebo na mieru, by mali špecifikovať minimálny polomer ohybu v násobkoch vonkajšieho priemeru rúrky, očakávanú koncentráciu chloridov a maximálnu prevádzkovú teplotu procesnej kvapaliny. Neverte, že štandardný polomer ohybu výrobcu je v poriadku pre vaše chemické zloženie vody (zvyčajne 2D alebo 1,5D). Pre nové inštalácie s tvrdosťou vody a úrovňami chloridov typickými pre komunálne zdroje (50-150 ppm Cl-, 60-prevádzková teplota 80 stupňov) poskytnite minimálny polomer ohybu 3D, aby ste zaistili koncentráciu martenzitu pod 5 % a predpokladanú-životnosť bez bodovej korózie viac ako 10 000 hodín. Ak priestorové obmedzenia vyžadujú ohyby užšie než 2,5 D, požiadajte dodávateľa o meranie martenzitu vyvolaného namáhaním (feritoskopom alebo röntgenovou difrakciou) na ohyboch vzoriek a zvážte elektrolytické leštenie alebo postup uvoľnenia napätia po ohybe. Zaobchádzaním s polomerom ohybu ako s konštrukčnou premennou na rovnakej úrovni s hrúbkou steny a leskom povrchu môžu procesní inžinieri zabrániť predčasným poruchám, ktoré nepochádzajú z rovných častí, ale z náchylného vonkajšieho vlákna každého ohybu.