Ako profil zvyškového napätia z vyrovnávania rúrok 316 plášťov ohrievačov z nehrdzavejúcej ocele mení prah pre praskanie korózie spôsobeného chloridovým napätím

Neúmyselný zdroj: Ťahové povrchové napätie z procesu vyrovnávania.

Valčekové vyrovnávanie je často posledným krokom vo výrobnom procese elektrických vykurovacích rúr 316 s plášťom z nehrdzavejúcej ocele predtým, ako sú narezané na dĺžku a ohnuté. Tento postup odstraňuje zakrivenie z -natiahnutej (alebo -žíhanej) rúry jej prechodom cez ofsetové valčeky a zavádza komplikovaný profil zvyškového napätia na povrch rúry . Zvyškové ťahové napätia 50-200 MPa sú zavedené do vonkajšej 50-150 µm steny plášťa na napínacej strane každého kontaktného bodu vyrovnávacieho valca. Tieto zvyškové ťahové napätia zvyšujú aplikované obručové napätie tepelnou expanziou a vnútorným tlakom v prostrediach obsahujúcich chloridy pri zvýšenej teplote (nad 60 stupňov), aby sa vyvolalo korózne praskanie (SCC) pri napätiach, ktoré by boli bezpečné pre materiál zbavený napätia. Tento článok hodnotí koreláciu medzi zvyškovým napätím v dôsledku vyrovnávania, hladinou chloridov a iniciačným časom SCC a poskytuje špecifikačné limity pre zmiernenie napätia po narovnávaní v korozívnej prevádzke.

Mechanizmus vyrovnávania vyvolávajúceho povrchové napätie

Rúrka z nehrdzavejúcej ocele sa vyrovnáva valcovaním prechodom medzi radom odsadených valcov, ktoré plasticky deformujú rúrku v striedavých smeroch. Napätie v ťahu vo vonkajších vláknach rúrky sa všeobecne pohybuje od 0,5 % do 2,0 % v závislosti od počiatočného zakrivenia a odsadenia vyrovnávacieho valca. Vynútená plastická deformácia v ťahu 0,5 % v žíhanej nehrdzavejúcej oceli 316 s medzou klzu približne 205 MPa zodpovedá zvyškovému napätiu 150–200 MPa (75–100 % medze klzu). Distribúcia zvyškových napätí je pomerne lokalizovaná: najväčšie napätia sú viditeľné v tenkej povrchovej vrstve (hĺbka 20-100 µm), pretože vyrovnávacia deformácia je väčšinou elastická v jadre rúry a plastická iba na povrchu. Trhliny nukleujú na povrchu a rastú do poľa hromadného zvyškového napätia. Táto tenká vysoko namáhaná vrstva je ideálna na iniciáciu SCC. Zvyčajne je smer zvyškových napätí axiálny (po dĺžke rúrky) na povrchoch rúrky v kontakte s valčekmi, pričom obvodové napätia sú na okrajoch kontaktu valčekov. Axiálne zvyškové napätia sú obzvlášť problematické pre plášť ohrievača, pretože sú v rovnakom smere ako obručové napätie spôsobené vnútorným tlakom, pričom tieto dve napätia spolu tvoria čisté ťahové napätie, ktoré urýchľuje vznik lomu.

Kvantifikované zníženie prahu SCC v dôsledku vyrovnávacích napätí

Systematické testy 316 hadičiek vo vriacom chloride horečnatom (154 stupňov, štandardizovaný test SCC) ukazujú, že narovnané hadičky bez uvoľnenia napätia po narovnaní zlyhajú za 20-}50 hodín pri aplikovanom zaťažení 200 MPa. Rovnaké potrubie v stave bez napätia (zvyškové napätie pod 30 MPa) vydrží viac ako 500 hodín. V prevádzkových podmienkach použiteľných pre ponorné ohrievače - 90 stupňov vody s 1 000 ppm chloridu – výsledkom sú rovnako významné. 316 plášte so zníženým namáhaním odolávajú chloridom 1 000 ppm po dobu 5-8 rokov bez SCC. Narovnané plášte so zvyškovými povrchovými deformáciami väčšími ako 150 MPa vytvoria pri rovnakej hladine chloridov zlomeniny SCC v priebehu 12-24 mesiacov. Plášte pri uvoľnení napätia vydržia navždy pri 500 ppm chloridu. Narovnané plášte sa rozbijú za 3-5 rokov. Rozhodujúca prahová kombinácia pre iniciáciu SCC bez použitia vyrovnávacích síl je 60 stupňov a 300 ppm chloridu. Nad 80 stupňov kombinácia akejkoľvek koncentrácie chloridov nad 200 ppm s vyrovnávacími zvyškovými napätiami presahujúcimi 100 MPa v konečnom dôsledku povedie k SCC. Nižšie uvedená tabuľka ukazuje čas do iniciácie SCC ako funkciu zvyškového povrchového napätia, koncentrácie chloridov a teploty.

Zvyškové povrchové napätie z vyrovnávania (MPa) Koncentrácia chloridu (ppm) Teplota plášťa (stupeň ) Čas do iniciácie trhliny SCC (hodiny prevádzky) Čas do perforácie (1,5 mm stena) Odporúčaný postup<30 (stress relieved) 1000 90 >70,000 (>8 years) >80 000 Prijateľné<30 (stress relieved) 2000 80 >50,000 >60 000 Prijateľné s monitorovaním 50-100 (mierne narovnanie) 500 90 20,000-30 000 (2,5-3,5 roka) 25 000-40 000 Marginálne; odporúčaná úľava od stresu
50-100 (mierne narovnanie) 1000 80 15,000-20,000 (1,7-2,3 roka) 18,000-25,000 Neodporúča sa na nepretržité používanie 100-150 (mierne narovnanie) 300 90 10,000-15,000 (1,1-010,08 rokov,0,1120,08 neprijateľné) nad 80 stupňov 100 – 150 (mierne narovnanie) 500 80 8 000 – 12 000 (0,9 – 1,4 roka) 10 000 – 15 000 Neprijateľné
150 – 200 (silné vyrovnávanie) 200 90 3 000 – 6 000 (4 – 8 mesiacov) 4 000 – 8 000 Neprijateľné pre akýkoľvek chlorid
150-200 (náročné vyrovnávanie) 500 70 5 000 – 10 000 (7 – 14 mesiacov) 6 000 – 12 000 Vymeňte za hadicu odľahčujúcu napätie
Detekcia a zmiernenie zvyškového napätia pri vyrovnávaní

Kupujúci špecifikujúci 316 zapuzdrených ohrievačov na chloridové použitie majú tri spôsoby, ako skontrolovať stav zvyškového napätia z vyrovnávania. Prvým je štandardná prax ASTM G38 na výrobu vzoriek ohybu do U-. Časť prijatej trubice sa ohne o 180° nad tŕň a ponorí sa do vriaceho chloridu horečnatého. Ak došlo k praskaniu do 100 hodín, zvyškové napätie z vyrovnávania bolo dostatočné na to, aby spôsobilo SZB bez aplikovaného napätia. Druhou technikou je detekcia zvyškového napätia na povrchu trubice pomocou röntgenovej difrakcie (XRD). Hodnoty nad 100 MPa naznačujú, že sa odporúča zníženie napätia po narovnaní. Treťou a najjednoduchšou metódou je takzvaný -ferroxylový test“ (leptanie síranom meďnatým-kyselinou sírovou), ktorý ukazuje oblasti so značným zvyškovým napätím ako tmavšie vzory leptania. Zvyškové deformácie pod 30 MPa pre ohrievače určené na prevádzku nad 70 stupňov s chloridmi nad 200 ppm sa získajú následným vyrovnávaním žíhania na uvoľnenie napätia pri 400-500 stupňoch počas 1-2 hodín. Úplné rozpúšťacie žíhanie (1040 stupňov) úplne odstraňuje zvyškové napätia, ale môže spôsobiť deformáciu potrubia a je zvyčajne špecifikované len pre kritické aplikácie. Kupujúci môžu potrebovať overenie odľahčenia od namáhania vykonaného dodávateľom hadičiek po narovnaní (alebo o tom, že narovnanie sa nevykonáva na žíhaných hadičkách), čo poskytuje vynútiteľné zabezpečenie kvality.

Identifikácia v oblasti SZB zo zvyškov vyrovnávania

Príčina zvyškov po vyrovnávaní sa vyznačuje tvarom trhlín pri poruche ohrievača SZB. Trhliny zvyčajne vznikajú v priamych úsekoch plášťa, nie v ohyboch alebo zvaroch, z napätí vytvorených vyrovnávaním. Zvyčajne sú pozdĺžne (tj rovnobežné s osou rúrky) a môžu sa vyskytovať v množstve rovnobežných línií oddelených 5 až 15 mm, čo zodpovedá vzoru kontaktu valčekov. Zlomy sú transgranulárne (prekračujúce hranice zŕn) pre 316 v chloridovom prostredí nad 80 C pri zväčšení s typickým vetvením pre SCC. Povrch lomu nie je veľmi ťažný. Ak je poškodený ohrievač zo šarže, u ktorej sa po vyrovnaní nezmiernilo napätie, a prevádzkové podmienky zahŕňajú chloridy nad 300 ppm pri teplotách nad 70 stupňov, základnou príčinou je pravdepodobne určite zvyškové napätie vytvorené vyrovnávaním. Všetky zostávajúce ohrievače by mali byť vyradené z prevádzky alebo upravené tak, aby sa v prípade takýchto inštalácií použila úprava na uvoľnenie napätia.

Závery: Definícia kontroly zvyškového stresu pre chloridovú službu

Profil zvyškového napätia zavedený do rúrok z nehrdzavejúcej ocele 316 po vyrovnaní valcovaním je skrytá premenná, ktorá môže znížiť prahovú hodnotu chloridového SCC o faktor 3 až 5. V prostredí s horúcim chloridom dôjde k prasknutiu rúry s povrchovými zvyškovými deformáciami nad 100 MPa za 1-2 roky pri nastavení, keď hadica na zmiernenie napätia vydrží 5 až 10 rokov. Pre akúkoľvek službu zahŕňajúcu chloridy nad 200 ppm a teploty nad 70 stupňov musia inžinieri špecifikujúci 316 plášťových ohrievačov vyžadovať jedno z nasledujúcich: uvoľnenie napätia po vyrovnávaní (400-500 stupňov po dobu 1-2 hodín) alebo potvrdenie, že hadica bola narovnaná v úplne žíhanom stave s odsadením valcov nastaveným na minimalizáciu zvyškového napätia. Navrhovaný rámec možno použiť na zabránenie skorým poruchám praskania, ktoré sa bežne pripisujú „kvalite materiálu“, ale v skutočnosti sú spôsobené neriadeným zvyškovým napätím spojeným s vyrovnávaním rúr, tým, že sa proces vyrovnávania vzťahuje na merateľné časy iniciácie SCC.