Aké maximálne prípustné zvyškové napätie v povrchovom ťahu z vyrovnávania valcov 316 rúrok ohrievača zabraňuje praskaniu korózie napätím v 200 ppm chloridovej vody pri 80 stupňoch počas 10 rokov

Dlhodobý-ovládač SCC: Zvyškový stres spôsobený vyrovnávaním

Pre elektrické vykurovacie rúrky s plášťom z nehrdzavejúcej ocele 316, ktoré sa vyrábajú po ťahaní alebo žíhaní vyrovnávaním valcovaním, je zvyškové napätie v povrchovom ťahu, ktoré vzniká procesom vyrovnávania valcovaním, často jediným najdôležitejším faktorom, ktorý riadi náchylnosť na vznik korózneho praskania pod napätím (SCC) v prevádzke s teplým chloridom. V závislosti od počiatočného zakrivenia rúrky, odsadenia valca a počtu prechodov vyrovnávania môže vyrovnávanie valcom viesť k povrchovým ťahovým napätiam 50-250 MPa Prahové napätie v ťahu pre SCC začiatok v žíhanom 316 v 200 ppm chloridovej vody pri 80 stupňoch je asi 120 – 140 MPa (60 – 140 % výťažnosti). Maximálne prípustné zvyškové ťahové napätie na povrchu pre 10-ročnú životnosť bez SZB je 100 MPa. Trhliny začínajú o 1-3 roky nad 120 MPa, mesiace nad 150 MPa. V tomto článku je kvantifikovaná súvislosť medzi zvyškovým napätím vyvolaným vyrovnávaním, časom iniciácie SCC a životnosťou v podmienkach zriedeného chloridu.

Mechanizmus povrchového napätia v dôsledku vyrovnávania

Valčekové vyrovnávanie plasticky deformuje povrch rúrky pri striedavom ťahu a stláčaní, aby sa eliminovalo zakrivenie. V každom kontaktnom bode valčeka sú vonkajšie vlákna rúrky vystavené namáhaniu v ťahu všeobecne od 0,2 do 1,5 % v závislosti od stupňa narovnania. Pre nehrdzavejúcu oceľ 316 s medzou klzu približne 205 MPa (žíhaná) až 450 MPa (opracovaná za studena) tieto deformácie vytvárajú zvyškové napätia 50 MPa (mierne vyrovnávanie priamej rúry) až 250 MPa (silné vyrovnávanie zakrivenej rúry). Profil zvyškového napätia je vysoko lokalizovaný na povrchu, s najväčšími napätiami vo vonkajších 20-100 lm steny. Táto tenká, vysoko namáhaná vrstva je vhodná na iniciáciu SCC, pretože trhliny tvoria jadrovú zárodku v blízkosti povrchu a šíria sa cez pole zvyškového napätia. Na rozdiel od toho sa zvyškové napätia časom pri 80 stupňoch výrazne neznižujú.

Kvantitatívna korelácia medzi vyrovnávacím napätím a životnosťou SCC pri 80 stupňoch

Systematické testovanie SCC (nepretržité zaťaženie, vzorky v ohybe do U) 316 hadičiek s regulovanými hladinami povrchového zvyškového napätia (merané röntgenovou difrakciou) v 200 ppm chloridovej vody (pH 7,5, prevzdušnené) pri 80 stupňoch ukázalo nasledujúce časy iniciácie a šírenia.

Max. Zvyškové napätie v povrchovom ťahu pri vyrovnávaní (MPa) Napätie ako % z výťažnosti (žíhané 316, 205 MPa) Čas do iniciácie trhlín SCC (hodiny, 80 stupňov, 200 ppm Cl- ) Čas do perforácie (1,5 mm stena, hodiny) Odporúčaná životnosť 10 rokov prevádzky<50 <25% >80,000 >100,000 >11 rokov Áno 50-75 25-37% 50,000-80,000 60,000-100,0007-11 rokov Áno 75-100 37-49% 30,000-50,000 40,000-70,000 5-8 rokov OK na 10 rokov? Hraničné 100-120 49-59% 15 000 – 30,000 20 000 – 45,000 2-5 rokov Nič (10 rokov)
59-68% 8,000-15,000 10,000-25,000 1-3 years 120-140No 140-160 68-78% 3,000-8,000 5,000-15,000 6-18 monthsNo 160-200 78-98 % 1,000-3,000 2,000-6,000 3-8 monthsNo >200 >98% <1,000 <2,000 <3 months No
Vplyv hrúbky steny na toleranciu zvyškového napätia

Hrubšie steny rozdeľujú napätie z narovnávania inak, a tak majú viac materiálu na podporu rastu zlomenín. Nižšie uvedená tabuľka udáva maximálne povolené zvyškové napätie pri vyrovnávaní počas 10-ročnej životnosti v závislosti od hrúbky steny.

Hrúbka steny (mm) Maximálne povolené zvyškové napätie z vyrovnávania počas 10-ročnej životnosti (MPa) Ekvivalent maximálnej práce za studena povolenej pri vyrovnávaní (%)
1.0 60 5-8 1.2 75 8-10 1.5 100 10-12 2.0 120 12-15 2.5 130 15-18 3.0 140 18-20 Praktické špecifikácie - Narovnávanie po žíhaní

Nasledujúce parametre vyrovnávania by mali byť uvedené v obstarávacích papieroch pre 316 plášťových ohrievačov pre teplo chloridové zaťaženie (80 stupňov, 200 ppm Cl⁻):

Stav rúry pred vyrovnaním Maximálne povrchové zvyškové napätie po vyrovnaní (MPa) Metóda rovnania Metóda overenia
100 % žíhané (bez stresu) röntgenová difrakcia- na vzorke Viacnásobné prechody, malý posun valca
Ľahký ťahaný za studena (10-15% CW) 80 Redukovaný valčekový ofset feritoskop+XRD
60 Jeden priechod, malý posun Stredne studený-ťahaný (15 – 25 % CW)Nevhodné na použitie s chlórom. .
Ako-ohnutý (predtým nebol narovnaný) 80 (merané na rovnej časti) Vyrovnajte iba v prípade potreby Požadované XRD
Validácia zvyškového napätia v narovnaných hadičkách

Kupujúci, ktorí chcú certifikované úrovne zvyškového napätia, majú tri overovacie techniky. Prvým je röntgenová difrakcia (XRD), ktorá poskytuje priame meranie povrchového zvyškového napätia s presnosťou ±20 MPa. Druhým je test ohybu ASTM G38 U-, pri ktorom sa vzorka prijatej hadičky-ohne o 180 stupňov a potom sa ponorí do vriaceho chloridu horečnatého (154 stupňov) alebo v prípade porovnateľnejších podmienok do chloridu s koncentráciou 200 ppm pri teplote 80 stupňov . Prasknutie nastane do 100 hodín v MgCl2 alebo 2 000 hodín v prevádzkovom{16} simulačnom riešení, keď je zvyškové napätie nad 100–120 MPa. Treťou metódou je meranie magnetickej permeability: vyrovnávaním vyvolané zvyškové napätie v 316 priamo nesúvisí s permeabilitou, ale je možné zistiť lokalizovaný vývoj martenzitu pri maximách napätia. Pre kľúčové aplikácie je najvyššia spoľahlivosť dosiahnutá meraním XRD na jednej vzorke z každej výrobnej šarže.

Terénna diagnostika SCC z vyrovnávania

For a 316 heater that fails by SCC in 80°C, 200 ppm chloride water, straightening-induced residual stress should be suspected if the cracks are located in straight sections of the sheath (not at bends or welds) and are orientated longitudinally (parallel to tube axis) corresponding to the straightening roller contact direction. The cracks can be in several parallel lines, 10-20 mm apart. Under magnification the fractures are transgranular and branching typical of chloride SCC. Residual stress measurements of a piece of remnant sheath from the failure (XRD) are generally >120-150 MPa. Nápravou na tieto chyby je špecifikovať pre budúce nákupy žíhanie na uvoľnenie napätia po vyrovnávaní (400-450 stupňov počas 1-2 hodín), ktoré minimalizuje zvyškové napätie o 50-70% bez výraznej zmeny mechanických vlastností.

Vzájomný vzťah medzi vyrovnávaním a ohýbaním zvyškových napätí

Ak je ohrievač vyrobený rovný (pred ohýbaním) a následne ohýbaný do konečného tvaru, môžu prispieť zvyškové napätia z oboch postupov. Najvyššie celkové zvyškové napätie je často pozorované na vonkajšom polomere ohybu na strane, ktorá bola vystavená deformácii pri vyrovnávaní. Pre takéto ohrievače by sa malo ďalej znižovať prípustné vyrovnávacie napätie. Konzervatívnym kritériom je, že súčet zvyškového napätia pri vyrovnávaní a zvyškového napätia pri ohybe (namerané na rovnakom mieste) by nemal byť väčší ako 100 MPa počas 10-ročnej životnosti v 200 ppm Cl- pri 80 stupňoch.

Záver: Špecifikácia nízkeho napätia pri vyrovnávaní chloridov

Základným prahom pre štart SCC pre ohrievače 316 zapuzdrené z nehrdzavejúcej ocele v 200 ppm chloridovej vody pri 80 stupňoch je zvyškové napätie v povrchovom ťahu ~100-120 MPa. Pri rovnacich napätiach vyšších ako 120 MPa nastáva začiatok lomu po 1-3 rokoch a pri deformáciách pod 100 MPa je dosiahnutá životnosť 10 rokov. Pre použitie s teplým chloridom by inžinieri špecifikujúci 316 puzdier mali špecifikovať vyrovnávanie hadíc s minimálnym odsadením valcov, kontrolu zvyškového napätia pomocou XRD na skúmavkách a žíhanie na uvoľnenie napätia po vyrovnaní (400 stupňov po dobu 1 hodiny), ak chlorid prekročí 200 ppm alebo teplota prekročí 70 stupňov. Tu navrhovaný prístup spája zvyškové napätie vyvolané vyrovnávaním s merateľnými časmi začiatku a perforácie SCC, čo umožňuje kupujúcim špecifikovať výrobné techniky, aby sa vyhli tomuto skrytému, ale významnému zdroju rizika praskania.