Ako súvisí zvyškové percento predĺženia z ťahového testovania plášťových rúrok z nehrdzavejúcej ocele 316 s tvárnosťou a odolnosťou proti praskaniu v dôsledku korózie počas ohýbania ohrievača

Parameter ťažnosti: Riadenie výroby a životnosti

Percentuálne zvyškové predĺženie merané v štandardnom ťahovom teste (percento predĺženia po pretrhnutí) rúrok z nehrdzavejúcej ocele 316 používaných na výrobu plášťových elektrických vykurovacích prvkov je kľúčovým indikátorom dvoch zdanlivo nesúvisiacich výkonnostných atribútov. Vyššie hodnoty predĺženia (zvyčajne 40-50 % pre úplne žíhaný 316) v stave po prijatí-naznačujú dobrú tvarovateľnosť a schopnosť ohýbať sa v úzkych polomeroch bez zlomenia alebo nadmerného pruženia. Rovnaké mikroštrukturálne charakteristiky, ktoré spôsobujú rýchle predĺženie-veľkých rovnoosých austenitových zŕn s nízkou hustotou dislokácií-, však tiež zvyšujú náchylnosť na praskanie koróziou pod napätím (SCC) v podmienkach horúcich chloridov. Na druhej strane mierne predĺžené rúry (25 až 35 percent z čiastočnej práce za studena) majú lepšiu odolnosť voči SCC, ale sú náchylné na praskanie počas ohýbania. Tento dokument poskytuje kvantitatívne pochopenie vzťahu medzi percentom predĺženia v ťahu, obmedzeniami tvárniteľnosti v ohybe a odolnosťou SCC v prevádzke a navrhuje rámec špecifikácií na vyváženie výrobného výnosu s dlhodobou spoľahlivosťou.

Metalurgický základ inverzného vzťahu medzi ťažnosťou a odolnosťou voči SCC

% predĺženie nehrdzavejúcej ocele 316 je riadené hlavne veľkosťou zŕn a hustotou dislokácií. Plne žíhané potrubie (roztok žíhaný pri 1040–1100 stupňoch s následným rýchlym kalením) má priemernú veľkosť zŕn ASTM 6–8 (30–50 µm), nízku hustotu dislokácií (10⁸–10⁹ cm⁻²) a hodnoty predĺženia 45–55 % v typických testoch pozdĺžnych dĺžok Táto vysoká ťažnosť umožňuje, aby sa hadica ohýbala na tesné polomery (pomer R/D tak nízky, ako je 1,5) bez praskania, pretože zrná sa môžu posúvať a otáčať, aby sa vyhli plastickej deformácii. Avšak veľké zrná a jasné hranice zŕn ponúkajú súvislé cesty pre SCC na šírenie. Vo vyhrievaných chloridových nastaveniach (60-100 stupňov, 500-2000 ppm Cl⁻) praskliny nukleujú na šmykových krokoch na povrchu a šíria sa transgranulárne pozdĺž kryštalografických rovín. Vo veľkozrnných štruktúrach môže trhlina dosiahnuť 100 – 200 µm, kým narazí na bariéru zŕn, ktorá ju môže odkloniť alebo zastaviť. Malé množstvo predchádzajúcej práce za studena (zníženie o 10 – 20 %, výsledkom čoho sú hodnoty predĺženia 25 – 35 %) má za následok významnú hustotu dislokácií a tvorbu deformačných pásov a martenzitu vyvolaného deformáciou. Tieto charakteristiky pôsobia ako prekážky pri šírení lomu tým, že vytvárajú kľukaté cesty a menia stav napätia na vrchole trhliny. Odolnosť SCC sa zlepšila 3 až 5-krát, ako bolo určené časom do zlyhania pri testovaní s vriacim chloridom horečnatým. Rovnaká práca za studena však tiež znižuje zostávajúcu tvarovateľnosť na ohýbanie. Rúry s 25 % predĺžením možno zvyčajne ohnúť na pomery R/D iba 2,5 – 3,0 predtým, ako sa objavia povrchové trhliny, v porovnaní s 1,5 – 2,0 pre úplne žíhaný materiál.

Kvantifikácia hraníc tvárnosti v ohybe ako funkcie predĺženia

Minimálny polomer ohybu pre rúrky z nehrdzavejúcej ocele 316 bez pretrhnutia je úzko spojený s rovnomerným predĺžením materiálu. Rovnomerné predĺženie je napätie, pri ktorom začína vytváranie hrdla. Pre určité percento predĺženia (e) je minimálny polomer ohybu R min vzhľadom na vonkajší priemer D rúry približne R min /D=(50/e) - 0.5 pre bežné priemery rúrok. Tento empirický vzťah založený na údajoch o ohybovom teste pre hadicu s vonkajším priemerom 10 až 20 mm je užitočným vodítkom na určenie stavu hadičky vzhľadom na požadovanú ohnutú geometriu. Pre ohrievač, ktorý potrebuje 1,5D ohyb (polomer 15 mm na 10 mm trubici), je potrebné predĺženie približne 45-50 %, preto sú potrebné úplne žíhané rúrky. Pre 2,5D ohyb je potrebné predĺženie znížené na 28-33%, čo umožňuje použitie mierne za studena{22}}spracovanej (štvrťtvrdej) trubice. Pre zahnuté ohyby 4D alebo väčšie stačí predĺženie 20-25 % a možno použiť polotvrdú rúrku. Nasledujúca tabuľka poskytuje niektoré konkrétne informácie týkajúce sa požadovaného pomeru ohybu, minimálneho predĺženia v ťahu potrebného na tvarovanie bez trhlín a z toho vyplývajúcich dôsledkov na odolnosť SCC v prevádzke.

Požadovaný pomer polomeru ohybu (R/D) Minimálne požadované predĺženie, aby sa predišlo praskaniu (%) Odporúčaný stav hadičky (Tvrdosť/Práca za studena Horúci chlorid SCC Odolnosť (v pomere k úplne -žíhanému) Maximálny odporúčaný chlorid (ppm) pri 90 stupňoch úplne tesný ohyb 48 Mimoriadne tesný 55. žíhané (80-90 HRB, 150-180 HV) Základná línia (1×)<300
1,5-2,0 (štandardný ohyb v U) 40-48 Úplne žíhané alebo ľahké žíhanie Základná línia na 1,2×<400 2.0-2.5 33-40 Quarter-hard (88-95 HRB, 180-220 HV) 1.5-2× <800 2.5-3.0 28-33 Quarter-hard to half-hard (95-100 HRB, 220-250 HV) 2-3× <1500
3.0-4.0 22-28 Polovičný-tvrdý (100-105 HRB, 250-280 HV) 3-4×<25004.0 (sweep bend) 18-22 Half hard to full hard (105-110 HRB, 280-320 HV) 4-5× <4000
Praktický kompromis pre výrobcov a špecifikátorov ohrievačov

Pre výrobcu ohrievačov je úplne žíhané potrubie najlepšou voľbou na maximalizáciu výťažku výroby, pretože je možné robiť tesné ohyby bez zlomenia a menej pruženia znamená menej upevňovania. Ohrievač skonštruovaný s úplne žíhanými hadicami 316, dokonca aj so správnym objemovým chemickým zložením, však môže vo vode s obsahom chloridov-zlyhať v dôsledku SCC-nie preto, že materiál je zlý, ale preto, že mikroštruktúra s vysokou ťažnosťou je prirodzene zraniteľnejšia. Pre koncového používateľa, ktorý špecifikuje ohrievač pre prostredie so známymi chloridmi, je optimálnym riešením špecifikovať hadicu, ktorá bola opracovaná mierne za studena- (15-20 % redukcia, predĺženie 25-35 %) pred ohnutím a zvoliť si polomer ohybu, ktorý tento materiál dokáže prispôsobiť. Ak ide o 1,5D ohyb (napr. kompaktná U-trubica pre malú nádrž), jedinou praktickou možnosťou môže byť plne žíhané potrubie. Používateľ musí žiť so zníženou životnosťou SCC alebo upgradovať zliatinu na 316L alebo 316Ti s podobnou ťažnosťou, ale lepšou odolnosťou SCC kvôli nižšiemu obsahu uhlíka alebo stabilizačných prísad. Pri nových konštrukciách by špecifikácia väčšieho polomeru ohybu (R/D väčší alebo rovný 2,5) vždy, keď je to praktické, umožnila použitie štvrtinovej tvrdej rúrky, ktorá má podstatne lepšiu odolnosť SCC s len malým kompromisom v tvárnosti.

Metódy validácie pre dostatočné predĺženie a kvalitu ohybu

Buyers who specify 316 sheathed heaters have three verification techniques to assure the tubing utilised has the specified elongation for both the required bend geometry and the predicted service environment. The first is the tensile test report from the tubing supplier, showing % elongation (usually measured over 50 mm, or 2 inches) and yield strength. Elongation must be >40 % pre ohýbacie ohrievače R/D < 2,0. Pre R/D by predĺženie medzi 2,0-3,0 malo byť väčšie alebo rovné 30 %. Druhým overením je skúška ohybom s vedením na vzorke skutočného potrubia po ohnutí, ale pred montážou do ohrievača. Test je 180-stupňový ohyb okolo tŕňa s vhodným polomerom s vizuálnym pozorovaním pri 10-násobnom zväčšení. Predĺženie je nedostatočné pre polomer ohybu, ak existujú trhliny dlhšie ako 0,5 mm. Tretím overením je skúška tvrdosti hotového ohrievača pri vonkajšom polomere ohybu. Ak je tvrdosť menšia ako 250 HV, rúra bola pred ohýbaním primerane žíhaná; ak je väčšie ako 320 HV, rúra bola prepracovaná v ohybe z čiastočne žíhaného stavu, čo zníži ťažnosť a zároveň zvýši odolnosť SCC, ale prvá môže spôsobiť rýchle praskanie. Pri prevádzke v prostrediach, kde je problémom SCC, test EPR (elektrochemická potenciokinetická reaktivácia) na vzorke z priamej časti hotového ohrievača potvrdzuje, že materiál nebol úplne vyžíhaný, hodnota EPR väčšia ako 1,5 C/cm2 naznačuje, že ešte zostáva práca za studena, čo je výhodné pre odolnosť voči SCC.

Tepelné spracovanie po-ohybe: Špeciálne úvahy a účinky na predĺženie

If a heater needs both tight radius bends (R/D < 2.0) and excellent SCC resistance for chloride service, then post-bend solution annealing offers a way to satisfy both criteria. The tube can be fully annealed for bending (elongation >45%), formed to the tight radius and then given a full solution anneal (1040-1100°C, water quench) which relieves bending stresses, recrystallises the grain structure and removes cold work. This treatment restores the elongation to >45 %, ale odolnosť voči SCC je v prípade úplne žíhaného materiálu-o nič lepšia. Pevné ohyby a vysokú odolnosť proti SCC nie je možné dosiahnuť čiastočnou relaxáciou napätia po ohybe pri 400-500 stupňoch, pretože nedochádza k rekryštalizácii štruktúry zŕn. Jediným spôsobom, ako zachovať prácu za studena (a tým aj odolnosť SCC) po ohýbaní, je urobiť ohyb s rúrkou, ktorá je už v stave opracovania za studena (napr. štvrť{11}}tvrdá s 30 % predĺžením). Húževnatosť štvrť{16}}tvrdej rúrky musí byť taká, že ak je potrebný 2,0D ohyb, prežije 2,0D ohyb bez prasknutia. Ak je R/D menšia ako 2,0, štvrťtvrdá rúrka sa normálne zlomí, takže konštruktér musí akceptovať väčšiu R/D, alebo použiť úplne žíhané rúrky s menšou odolnosťou voči SCC, alebo prejsť na lepšiu zliatinu odolnú voči SCC (duplex 2205), ktorá kombinuje vysokú pevnosť s dobrou tvárnosťou.

Záver: Definícia predĺženia ako parametra kvality pre dva účely

Percentuálne predĺženie z ťahovej skúšky plášťových rúrok z nehrdzavejúcej ocele 316 nie je len kritériom akceptácie kvality, ale aj priamym predpovedaním minimálneho polomeru ohybu bez praskania počas výroby ohrievača a následnej odolnosti voči praskaniu koróziou pod napätím v prevádzke s horúcim chloridom. Plne žíhaná rúrka (45-55% predĺženie) ponúka najlepšiu tvárnosť až do malých polomerov ohybov R/D=1.5, ale najmenšiu odolnosť voči SCC. Rúry opracované za studena (25 – 35 % predĺženie) poskytujú zlepšenú odolnosť SCC, ale vyžadujú dlhšie polomery ohybu (R/D > 2,5), aby sa predišlo praskaniu počas tvarovania. Voľba predĺženia hadičky je určená špecifikovanou geometriou ohybu a odhadovanou koncentráciou chloridov. Inžinieri, ktorí špecifikujú ohrievače s plášťom pre chloridové prostredie, musia zvážiť oboje. Ak si aplikácia vyžaduje pevné ohyby a silnú odolnosť voči SCC, potom sa musí buď zvýšiť polomer ohybu, zliatina sa musí aktualizovať na 316L alebo duplex, alebo sa musí znížiť odhadovaná životnosť. Kupujúci môžu špecifikovať 316 plášťové hadičky, ktoré nájdu rovnováhu medzi vyrobiteľnosťou a dlhodobou spoľahlivosťou v korozívnych prostrediach. Tento rámec spája predĺženie v ťahu s dualitou tvarovateľnosti a odolnosti SCC.