Ako priemerný pomer strán zŕn po ťahaní za studena 316 ohrievačových rúrok riadi anizotropiu odporu proti jamkovej korózii v prúdiacej morskej vode pri 40 stupňoch

Vplyv smerovej mikroštruktúry na kinetiku rastu jamiek

The cold drawing process used to manufacture electric heating tubes sheathed in 316 stainless steel for seawater service (such as marine heating systems, shipboard heaters, or coastal industrial process heaters) creates an elongated grain structure with a characteristic aspect ratio (grain length divided by grain width). In the as-drawn condition (before to annealing), the grains are often extended 3:1 to 10:1 along the tube axis. This grain shape anisotropy leads to anisotropic pitting behaviour, wherein pits propagating parallel to the tube axis (i.e. along the direction of grain elongation) hit fewer grain barriers per unit length and so propagate more rapidly than pits propagating circumferentially (i.e. across grain borders). 316 sheath with a high grain aspect ratio (>5:1) môže preraziť za 2-3 roky v tečúcej morskej vode pri 40 stupňoch, keď je prúdenie rovnobežné s osou rúrky, avšak tá istá rúrka by vydržala 5-7 rokov, keď sa jamky rozšíria cez predĺženú štruktúru zŕn. V tomto článku kvantifikujeme súvislosť medzi pomerom strán zrna, anizotropiou bodkovania a životnosťou v morskej vode.

Mechanizmus zastavenia odkôstkovania na hraniciach zŕn

Bodová korózia v nehrdzavejúcej oceli 316 je prednostne iniciovaná nečistotami sírnika mangánu. Po začatí rastu jamiek prebieha anodický rozklad. Keď jamka narazí na hranicu zŕn, rýchlosť rozpúšťania je vo všeobecnosti potlačená, pretože hranica zŕn má inú kryštalografickú orientáciu a možno aj iný elektrochemický potenciál. V rovnoosých zrnách (pomer strán blízko 1:1) sa jamky často stretávajú s hranicami zŕn a hĺbka jamiek je obmedzená. V predĺžených zrnách (vysoký pomer strán) môže jamka pohybujúca sa pozdĺž dlhej osi zŕn prejsť 5- až 10-krát väčšiu vzdialenosť, než dosiahne bariéru zŕn, čo umožňuje podstatne hlbšiu penetráciu pred zastavením. V tečúcej morskej vode je účinok ešte posilnený, pretože šmyk tekutiny odstraňuje produkty korózie z ústia jamy, čím sa udržiava agresívna lokálna chémia.

Kvantitatívny vzťah medzi pomerom strán zrna a anizotropiou bodkovania

Rýchlosti šírenia jamiek rovnobežne a kolmo na smer predlžovania zŕn sa určili zrýchleným jamkovým testovaním za studena ťahaných 316 rúrok (bez žíhania po-ťahaní) v prúdiacej syntetickej morskej vode (40 stupňov, rýchlosť 2 m/s, 20 000 ppm chloridov).

Pomer strán zrna (Dĺžka:Šírka) Priemerná rýchlosť šírenia jamiek paralelne k osi (mm/rok)Rýchlosť šírenia jamiek kolmo na os (mm/rok)Pomer anizotropie (rovnobežná / kolmá) Čas do perforácie (1,5 mm stena) – paralelné šírenie (1 doba šírenia – 5 mm Perforácia)
1:1 (rovnoosé, žíhané) 0.20 0.20 1.0 7.5 rokov 7,5 rokov 2:1 0.25 0.20 1.25 6.0 rokov 7,5 rokov 3:1 0.32 0.18 1.8 4.7 rokov 8,3 rokov 4:1 0.40 0.16 2.5 3.8 rokov 9,4 rokov
5:{1}} rokov 10,0 rokov
6:{1} 10,7 rokov
7:{1}} rokov 11,5 roka
8:1 0.82 0.12 6.8 1.8 rok 12,5 roka
Vplyv smeru toku vzhľadom na orientáciu trubice

Pre ohrievač umiestnený v potrubí alebo nádrži závisí orientácia najrýchlejšieho smeru šírenia jamy vzhľadom na os rúrky od smeru prúdenia. Najhorší scenár je, keď je prúdenie rovnobežné s osou rúrky a jamka začína na povrchu, kde sú predĺžené zrná orientované rovnobežne s hrúbkou steny (tj jamka musí prechádzať stenou pozdĺž dlhej osi zŕn). Optimálna situácia je, keď je prietok kolmý na os rúrky a jamka musí prekročiť hranice zŕn, aby prerazila stenu.

Smer toku k osi rúrky Smer šírenia nádrže k predĺženiu zrna Odporúčaná orientácia inštalácie Efektívna doba perforácie (roky, pomer strán 5:1)
Paralelný (prietok cez dĺžku trubice)Paralelný (najhorší) 3,0 Neodporúča sa pre trubice s vysokým pomerom strán
Kolmé (prietok cez trubicu)Zmiešané; väčšinou celozrnné 7-8 Odporúča sa
45 stupňov Zmiešané 5-6 Vhodné
Nízky alebo stagnujúci prietok (< 0.5 m/s)5-6 Acceptable Orientation less significant; diffusion controlled
Servis morskej vody, praktická špecifikácia pre

Odporúčané pomery zrna pre ohrievače 316 pre aplikácie s morskou vodou alebo vysokým obsahom chloridov pri teplotách nad 40 stupňov sú nasledovné.

Stav služby Maximálny odporúčaný pomer strán zrna po príspevku-Požaduje sa tepelné spracovanie kresby Priemerná životnosť (roky)
Tečúca morská voda, kolmo na trubicu 4:1 Uvoľnenie napätia (1 hodina pri 500 stupňoch) 5-7
Tečúca morská voda, prietok paralelne s rúrkou 2:1 Úplné rozpúšťacie žíhanie (rekryštalizované) 5-7
Stagnujúca morská voda alebo morská voda s nízkym prietokom 5:1 Žiadne (vhodné podľa obrázka) 4-6
Prerušovaná alebo nízka teplota (<30°C) 6:1 None 5-8
critical service, all orientations 1:1 (completely recrystallized) Full solution anneal (1040°C + quench) >10 Identifikácia anizotropného pittingu v teréne

Morfológia jamy pre neúspešný ohrievač 316 v tečúcej morskej vode ukazuje efekt pomeru zrna. Predĺžené jamky pozdĺž osi rúrky (skôr ako okrúhle) naznačujú, že zrná sú predĺžené a že jamky postupujú prednostne pozdĺž hraníc zŕn rovnobežných s osou. Pozdĺžny prierez- ukazuje cestu korózie po rozšírených hraniciach zŕn pod mikroskopom. Riešením je vyžiadať si úplne rekryštalizované (rovnoosé zrno) hadičky pre budúce nákupy poskytnutím úplného žíhania roztoku po všetkých postupoch ťahania. Rekryštalizované hadičky majú zvyčajne 10 – 20 % nákladovú prémiu, čo je odôvodnené 2 – 3-násobným predĺžením životnosti v prúdiacej morskej vode.

Záver: Rovnoosé zrná pre službu v morskej vode

The grain aspect ratio in cold drawing influences the pitting propagation anisotropy of 316 stainless steel encased heaters in flowing saltwater at 40°C. Pits propagating parallel to the tube axis with high aspect ratios (>5:1) dokáže preraziť stenu za 2-3 roky, zatiaľ čo rovnoosé zrná (pomer strán 1:1) poskytujú 7-8 rokov života. Pri navrhovaní 316 plášťov pre námorné alebo pobrežné aplikácie by inžinieri mali potrebovať konečné žíhanie na vytvorenie rekryštalizovaných, rovnoosých zŕn. Ak nie je možné dosiahnuť úplné žíhanie (napríklad dlhé alebo zložité zostavy), mal by sa nastaviť maximálny pomer strán (menší alebo rovný 3:1) a ohrievač namontovať s prietokom kolmým na os rúrky. Tu vyvinutý rámec spája pomer strán zŕn k rýchlosti šírenia anizotropných jamiek. To umožňuje kupujúcim vybrať si hadičky 316 s maximálnou odolnosťou voči jamkovej penetrácii v prúdiacej morskej vode.