Aká maximálna povolená hĺbka povrchového brúsenia zanecháva stopy po bezhrotovej povrchovej úprave 316 rúrok ohrievača zabraňuje vzniku trhlín spôsobených koróziou napätím v 500 ppm chloridovej vody pri 90 stupňoch

Povrchová ryha ako miesto koncentrácie napätia pre iniciáciu SCC

Prah iniciácie korózneho praskania pod napätím (SCC) v chloridových prostrediach pre elektrické vykurovacie rúrky 316 s plášťom z nehrdzavejúcej ocele, ktoré boli bezhrotovo brúsené alebo mechanicky leštené ako konečná operácia konečnej úpravy na dosiahnutie úzkych priemerových tolerancií alebo hladkých povrchov, je priamo riadená hĺbkou zvyškov brúsenia, zvyčajne 5-50 µm v závislosti od veľkosti abrazívneho zrna a rýchlosti posuvu. Každá značka brúsenia je geometrický koncentrátor napätia s teoretickým faktorom koncentrácie napätia (K_t) v rozsahu od 1,5 pre hladkú, plytkú značku (hĺbka<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 µm, koreňový polomer<2 µm). 500 ppm chloride water at 90 oC. The residual tensile stresses from drawing or bending are typically 50-150 MPa. Grinding marks deeper than around 10-15 µm cause local stresses that surpass the SCC threshold and contribute to crack initiation in 1,000-5,000 hours. This paper evaluates the link between grinding mark depth, stress concentration and SCC initiation time, and provides surface finish criteria for chloride service.

Mechanizmus iniciácie SCC na povrchových zárezoch

316 korózne praskanie pod napätím v horúcich chloridoch vyžaduje tri podmienky: citlivú mikroštruktúru (zvyčajne určitá práca za studena), predĺžené namáhanie v ťahu a agresívne chloridové prostredie. Na základni značky brúsenia povrchu je lokálne ťahové napätie dané $σ_{local}=σ_{aplikované}×K_{t}$ kde $K_{t}$ je funkciou geometrie značky (pomer hĺbky k polomeru). Typická značka brúsenia s hĺbkou d a koreňovým polomerom ρ dáva K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). Plytké, zaoblené prehĺbenie (d=5 µm, ρ=10 µm) poskytuje K_t≈1+2×sqrt(0,5)=2.4. Pre hlbokú ostrú značku (d=20 $\\mu$m, $\\rho$=2 odhadujeme $_t cca $_mu$m)\\cca $_mu$m 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . Pre aplikované zvyškové napätie 100 MPa je lokálne napätie 240-730 MPa – nad medzou klzu 205 MPa a ďaleko do oblasti, kde sa rýchlo vyskytuje SCC. Trhlina začína pri koncentrácii napätia a postupuje anodickým rozpúšťaním na špičke trhliny, poháňaná aplikovaným napätím, až kým nie je prerazená stena plášťa.

Kvantitatívny vzťah medzi hĺbkou brúsenia a iniciáciou SCC

Kontrolované testovanie SCC (nepretržité zaťaženie, vzorky U-ohybu alebo C{1}}krúžku) 316 rúrok s riadenou hĺbkou brúsenia povrchu (dosiahnuté zmenou brusného zrna a rýchlosti posuvu) v 500 ppm chloridovej vody pri 90 stupňoch stanovilo základné hĺbky pre spustenie SCC v určitom časovom období.

Maximálna hĺbka brúsenia (µm) Typická drsnosť povrchu (Ra, µm) Polomer koreňa značky (µm, typický) Faktor koncentrácie napätia (K_t) Čas do iniciácie SCC (hodiny, 500 ppm Cl-, 90 stupňov, 100 MPa zvyškové napätie) Čas do perforácie po stene 55 mmpp v mm Cl-, 90 stupňová služba<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30 000 Áno (ekvivalent v elektroleštení)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10,000-20,000 15,000-25,000 Áno 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5,000-10,000 8,000-15,000 Prijateľné 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500-5,000 4,000-8000 Marginálne 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1,000-2,500 2,000-4,000 Neodporúča sa
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1 000 – 2 000 Neprijateľné
20-30 1.5-2.0 2-3 6.0-8.0 200-500 400-1,000 Unacceptable30 >2.0 <2 >8.0 <200 <400 Unacceptable 
Vplyv úrovne zvyškového napätia na prípustnú hĺbku značky

Prípustná hĺbka brúsnych značiek sa veľmi líši od zvyškového ťahového napätia plášťa. Vyššie zvyškové napätie vyžaduje plytšie značky, aby sa zabránilo SCC. Maximálna povolená hĺbka značky pre mnohé úrovne zvyškového napätia, 500 ppm Cl⁻, 90 stupňov, je uvedená v tabuľke nižšie.

Zvyškové napätie v ťahu (MPa) Maximálna povolená hĺbka brúsenia počas 10 000-hodín Životnosť bez SCC (µm) Požadovaná drsnosť povrchu (Ra, µm) Odporúčaný spôsob povrchovej úpravy<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (nákres)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100 – 150 (stredná kresba)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (ako-zohnuté, žiadne uvoľnenie stresu)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Praktická služba chloridovej povrchovej úpravy

Nasledujúce kritériá povrchovej úpravy sa odporúčajú pre ohrievače 316 s plášťom na prevádzku v chloridovej vode nad 200 ppm pri teplotách nad 80 stupňov na základe odhadovaného stavu zvyškového napätia.

Konečný spôsob spracovania Maximálna hĺbka značky brúsenia Maximálna Ra Spôsob kontroly Stav zvyškového napätia
Zmiernené napätie (po tvárnení žíhané) Bezhrotový brúsený povrch, zrnitosť 400-600 10 µm 0,5 µm Vizuálne + profilometer 50×
Ako ťahané alebo ohnuté (žiadne zmiernenie napätia) Jemné brúsenie + jemné leštenie 5 µm 0,3 µm Profilometer
Vysoké chloridy Ako nakreslené Ako ohnuté Elektroleštenie (odstráňte 20-30 µm)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Akékoľvek, pre kritický servisElektropolis + pasivácia0 (značky úplne odstránené)<0.1 µmComplete surface inspection
Poľná identifikácia SCC vyvolaná značkou brúsenia

Pri ohrievačoch, ktoré zlyhali SZB v prevádzke s chloridom, by sa mal povrch lomu preskúmať z hľadiska miesta vzniku lomu. Pri zväčšení (100-500×) sa miesto vzniku trhliny často zhoduje so stopou po brúsení alebo škrabancom. Značka bude vnímaná ako ostro ohraničená drážka, často s produktom korózie, ktorý sa prednostne zhromažďuje v drážke. Trhliny SCC sa šíria kolmo na smer brúsenia (ak sú značky obvodové, trhliny sú axiálne, a ak sú značky axiálne, trhliny sú zvyčajne obvodové, ale môžu sledovať značku). Ak sú prítomné stopy po brúsení a prevádzkové prostredie obsahuje chloridy presahujúce 200 ppm a teploty vyššie ako 80 stupňov, malo by byť podozrenie na SCC v dôsledku škvŕn po brúsení. Odpoveďou je vyžadovať elektrolyticky leštené alebo jemne leštené povrchy pre budúce nákupy a vyradiť z prevádzky súčasné ohrievače alebo vyleštiť povrch plášťa na mieste, ak je prístupný (zriedka možné).

Záver: Limity hĺbky brúsenia pre chloridovú službu

Grinding markings >10-12 µm poskytuje koncentrátory napätia a skracuje čas iniciácie SCC pre ohrievače 316 zapuzdrené z nehrdzavejúcej ocele v 500 ppm chloridovej vody pri 90 stupňoch z 20000+ hodín na 2000-5000 hodín. SCC začína za 500-1000 hodín pri normálnych úrovniach zvyškového napätia v hĺbkach hlbších ako 20 µm. Pre chloridovú službu by inžinieri, ktorí vyberajú 316 puzdier, mali špecifikovať maximálnu hĺbku brúsnych značiek (napr. 8 µm alebo menej), alebo ekvivalentne maximálnu drsnosť povrchu (napr. Ra 0,5 µm alebo menej) a požiadať o overenie profilometriou. Pre najnepriaznivejšie chloridové podmienky alebo tam, kde sa nedajú minimalizovať zvyškové napätia, elektrolytické leštenie na odstránenie za studena spracovanej, poškriabanej povrchovej vrstvy úplne odstráni koncentrátory napätia spojené so stopami po brúsení. Tu navrhovaný prístup spája hĺbku brúsenia s merateľným načasovaním iniciácie SCC, čo umožňuje kupujúcemu špecifikovať techniky povrchovej úpravy, ktoré zabránia predčasnej iniciácii trhlín na povrchových defektoch.