Transformuje studené ohýbání 316 trubek z nerezové oceli pro ponorné ohřívače ve tvaru U-zadržený austenit na martenzit vyvolaný napětím-a urychluje důlkovou korozi ve vodě s nízkou-chloridy a vysokou-teplotou?

Metalurgické riziko formování elektrických topných trubek z nerezové oceli 316 ve tvaru U nebo na zakázku ohýbaných 316 se běžně při standardních požadavcích na korozi nebere v úvahu. Proces ohýbání, zejména při použití malých poloměrů na trubkách tažených za studena, vede k plastické deformaci, která přeměňuje metastabilní zadržený austenit na deformací-indukovaný martenzit. Tento přechod snižuje efektivní ekvivalentní číslo odolnosti proti důlkové korozi (PREN) ohýbané oblasti, i když základní materiál technicky splňuje 316 požadavků na složení. Elektrochemické testování experimentálních dat odhalilo, že kritické teploty důlkové koroze (CPT) v částech ohýbaných za studena plášťů z nerezové oceli 316 mohou být o 15-25 stupňů nižší než u neohnutých částí ze stejného tepla. V aplikacích, kde má voda nízký obsah chloridů, ale vysokou teplotu (např. 80 až 95 stupňů C, 50 až 100 dílů na milion Cl⁻), toto snížení běžně přesune ohnutý úsek z pasivního do aktivního stavu důlkové koroze během měsíců provozu, což způsobí předčasné selhání ohřívače. Tento článek hodnotí souvislost mezi poloměrem ohybu, namáháním indukovanou frakcí martenzitu a náchylností k důlkové korozi a poskytuje rámec pro výběr pro konstruktéry, kteří specifikují tvarované ponorné ohřívače z nerezové oceli 316 pro středně drsná vodní prostředí.

Metalurgický mechanismus deformace-indukovaný martenzitem v za studena ohýbané nerezové oceli 316
Austenitická struktura nerezové oceli 316 je termodynamicky stabilní pouze při určité energii vrstvení. Pod počáteční teplotou martenzitu (Ms) je mechanická deformace procesem tváření za studena, při kterém dodaná energie stačí k vyvolání smykového přechodu z čelního -centrovaného kubického austenitu ($\\gamma$) do tělesa -centrovaného tetragonálního martenzitu ($\\alpha'$). Teplota Ms nerezové oceli 316 je asi -40 stupňů . Nicméně, deformací vyvolaný martenzit je pozorován při pokojové teplotě pro skutečné plastické napětí v kritickém množství. Ohýbání namáhá vnější vlákna pláště a komprese vnitřní vlákna. ε=t/2R Kde R je poloměr ohybu k ose trubky, t je tloušťka stěny a ε je maximální plastické přetvoření na tahové straně. Pro 2D ohyb standardní 12 mm vnější trubky s tloušťkou stěny 1,2 mm s poloměrem středové osy 24 mm je vnější napětí vlákna 0,05 (5 %). Při poloměru 15 mm (1,25D ohyb) se napětí zvýší na 0,08 (8 %). Měření pomocí Fischer Feritscope ukazují, že u nerezové oceli 316 tahová deformace 5 % vede k přibližně 8-12 % a' martenzitu a 8 % deformace vede k 15-25 % martenzitu.

Produkce martenzitu má dvojí vliv na odolnost proti korozi. Za prvé, martenzit je méně rozpustný v chrómu a molybdenu než austenit a má za následek vznik ploch ochuzených o chrom na fázových hranicích. Za druhé, martenzit je katodická fáze vzhledem k austenitu, což má za následek tvorbu galvanických mikročlánků a anodické rozpouštění sousedního austenitu. Potenciodynamické polarizační skeny v 100 ppm roztoku chloridu při 80 stupních ukazují, že za studena ohýbaná nerezová ocel 316 s 15 % martenzitu má potenciál důlkové koroze +150 mV oproti Ag/AgCl, zatímco stejný materiál ve zcela rekrystalizovaném stavu má potenciál důlkové koroze +350 mV. Změna 200 mV znamená, že ohnutá oblast potřebuje mnohem méně anodické polarizace k iniciaci důlků.

Kvantitativní vztah mezi poloměrem ohybu a životností důlků
Ohřívače z nerezové oceli 316 ve tvaru U - (tloušťka 1,5 mm, průměr 12 mm) byly podrobeny experimentům s řízeným ponořením do syntetické chladicí vody (80 ppm Cl−, 200 ppm SO42−, pH 7,2, 85 stupňů), aby se demonstrovaly vzory poruch v závislosti na poloměru ohybu: Každý ohřívač byl provozován při 10 W tepelného toku/8 cm Fail} definováno jako perforace způsobená důlky na vnějším vrcholu ohybu.

Poloměr ohybu 36 mm (3D, deformace≈3,3 %): Průměrné důlkové selhání po 2100 h. Obsah martenzitu na ohnutém vrcholu 6 % Iniciace na více místech, pomalé šíření.

Poloměr ohybu 24 mm (2D, deformace 5,0 %): Průměrná důlková trhlina po 1150 h Obsah martenzitu: 11 % Důlky tvořené jádry přednostně na vrcholech deformace na straně tahu.

Poloměr ohybu 18 mm (1,5D, deformace 6,7 %). Průměrné selhání pittingu 550 hodin. obsah martenzitu 18 %; Lokalizovaná koroze ve 2 mm kroužku na vnějším ohybu.

Poloměr ohybu 12 mm (1D, deformace 10 %): průměrná důlková chyba po 180 hodinách. Obsah martenzitu: 27 %. Rychlá perforace s praskáním v některých případech.

V aplikacích s vyššími koncentracemi chloridů (300-500 ppm) v procesní vodě se životnost důlků na každém poloměru ohybu zkracuje o další faktor 2-3. Alternativně pro teplotu vody pod 50 stupňů je martenzitem vyvolané zrychlení důlkové koroze nevýznamné, protože kritická důlková teplota je vyšší než pracovní teplota i pro ohýbané sekce.

Tepelné a mechanické účinky lokalizované důlkové korekce v ohybech.
Konstrukce, která soustředí napětí na poloměr ohybu, činí selhání důlkové korekce obzvláště problematické. Když díra prorazí stěnu pláště, je vnitřní topný článek (obvykle drát NiCr nebo FeCrAl) vystaven procesní kapalině. U systémů na bázi vody to generuje okamžité zemní spojení a vypnutí ohřívače. Izolovaná horká místa se však vyvíjejí v důlcích o částečné tloušťce-i před plnou perforací kvůli vyššímu tepelnému odporu a lokalizované proudové hustotě ve zbývající tloušťce stěny u dna důlku. Infračervená termografie ohřívače s 30% penetrací stěny v ohybu ukazuje nárůst povrchové teploty o 35–50 stupňů oproti teplotě pláště kolem ohybu. Toto horké místo zvyšuje korozi a může způsobit spálení- drátu vnitřního odporu v důsledku místního přehřátí. Dokonce i v tlakových systémech může částečná hloubka sloužit jako zvýšení napětí a iniciovat únavové trhliny, když je ohřívač vystaven tepelným cyklům.

Tahová zbytková napětí vyvolaná ohybem také způsobují za určitých podmínek korozní praskání (SSC). Kombinace zbytkového napětí v tahu (typicky 100-250 MPa na vnějším vláknu ohybu), martenzitu a zvýšené teploty způsobuje u nerezové oceli 316 synergický mechanismus selhání v podmínkách obsahujících chlorid-. Historii případů jsou k dispozici pro chemické vsádkové reaktory, kde ohřívače 316 ve tvaru U, ohnuté na 1,5D poloměry při 200 ppm Cl- provoz při 95 stupních, selhaly pod transgranulárním SCC po 300 hodinách, zatímco identické ohřívače ohnuté do 3D poloměrů fungovaly téměř 3000 hodin bez praskání.

Průvodce výběrem poloměru ohybu podle hladiny chloridu a provozní teploty
Následující rozhodovací matice pomáhá inženýrům definovat minimální poloměry ohybu pro elektrické topné trubice z nerezové oceli 316 ve tvaru U- a na zakázku{1}}. Pro každou kombinaci koncentrace chloridů a maximální teploty pláště je uveden doporučený minimální poměr R/t (poloměr ohybu dělený vnějším průměrem trubky), aby se omezil vývoj martenzitu na méně než 5 %.

Maximální koncentrace chloridu (ppm) Maximální teplota pláště (stupně) Doporučený minimální poloměr ohybu (násobek vnějšího průměru trubky) Předpokládaná důlková tvorba-Životnost zdarma (hodiny)Potřebujete po tepelném zpracování ohybem-?
< 50 < 60 2.0 D > 5000 No 50 – 100 < 60 2.0 D > 4000 No 50 – 100 60 – 90 2.5 D > 3000 No 50 – 100 90 – 110 3.0 D > 2000 Recommended (solution anneal if possible)
600 > 90 4.0 D > 600 Vyžadováno + zvážit upgrade slitiny (Incoloy 825) > 600 > 100 4.5 D > 500 Požadováno + zvážit upgrade slitiny (Incoloy 825) > 600 > 100 5.0 D > 400 Vyžadováno + {81260} >{81260} >6 300 Požadováno + zvážit upgrade slitiny (Incoloy 825) > 600 > 100 7.0 D > 200 Požadováno + zvážit upgrade slitiny (Incoloy 825) > 600 > 100 8.0 D > 100 Požadováno + zvážit vylepšení slitiny (Incoloy 825) ohyby Nevhodné Použijte 316 rovně nebo přejděte na odolnější slitinu
Pro aplikace vyžadující kompaktní U-ohyby menší než 2,5D v mírných chloridových podmínkách mohou výrobci zvolit postup po-ohybovém rozpouštěcím žíhání, zahřátí na 1050 stupňů s následným rychlým ochlazením vodou, k rekrystalizaci namáhané struktury a odstranění martenzitu. Řešení-žíhání hotových ohřívacích sestav však obvykle není možné, protože vnitřní topné těleso a těsnění zakončení tyto teploty nesnesou. Za těchto okolností by praktickou odpovědí bylo specifikovat větší poloměr ohybu nebo tvárnější, ale přesto -odolnou slitinu, jako je 316Ti (která obsahuje titan pro stabilizaci karbidů a menší sklon k tvorbě martenzitu).

Další kroky ke snížení ohýbání-Koroze související
Když konstrukční omezení vyžadují úzký poloměr ohybu na plášti z nerezové oceli 316, tři technické metody mohou částečně obnovit odolnost proti korozi. Napětí ve vnějším vláknu je úměrné t/R. Čím silnější je stěna trubky před ohybem, tím menší je napětí ve vnějším vláknu pro daný poloměr ohybu. Nástěnná trubka o tloušťce 1,8 mm ohnutá na poloměr 1,5 D má menší napětí než trubka stěny o tloušťce 1,2 mm ohnutá na stejný poloměr. Výsledkem je snížení produkce martenzitu asi o 30 %. Za druhé, specifikace nízkouhlíkového 316L (maximálně 0,03 % C) oproti 316 (0,08 % C) zvýší odolnost vůči senzibilizaci během ohýbání a jakéhokoli následného svařování, ale přímo nezabrání tvorbě martenzitu. Za třetí, operace elektrolytického leštění po ohybu eliminuje tenkou povrchovou vrstvu (20–50 µm) s maximální hustotou martenzitu a deformací{18}}způsobenými vadami. Elektrochemické testování ukazuje, že elektrolytické leštění 1,5D ohybu přináší pitting potenciál do 50 mV neohnutého stavu a zvyšuje životnost trojnásobně oproti neleštěným ohybům.

Poloměry ohybu pro Heavy Duty 316 z nerezové oceli ponorné ohřívače
Konstruktéři požadující cenovou nabídku na elektrické topné trubky z nerezové oceli 316 ve tvaru U nebo na zakázku ohýbané 316 by měli specifikovat minimální poloměr ohybu v násobcích vnějšího průměru trubky, očekávanou koncentraci chloridů a maximální provozní teplotu procesní kapaliny. Nevěřte, že standardní poloměr ohybu výrobce je v pořádku pro vaše chemické složení vody (obvykle 2D nebo 1,5D). U nových instalací s tvrdostí vody a úrovněmi chloridů typickými pro komunální zdroje (50-150 ppm Cl-, 60-80 stupňů provozní teplota) zajistěte minimální poloměr ohybu 3D, abyste zajistili koncentraci martenzitu pod 5 % a předpokládanou životnost-bez důlků více než 10 000 hodin. Pokud prostorová omezení vyžadují ohyby těsnější než 2,5D, požádejte dodavatele o měření martenzitu vyvolaného napětím (feritoskopem nebo rentgenovou difrakcí) na ohybech vzorku a zvažte elektrolytické leštění nebo postup uvolnění napětí po ohybu. Zacházením s poloměrem ohybu jako s konstrukční proměnnou na stejném základě s tloušťkou stěny a leskem povrchu mohou procesní inženýři zabránit předčasným poruchám, které nepocházejí z přímých sekcí, ale z náchylného vnějšího vlákna každého ohybu.