Jak tloušťka stěny pláště z nerezové oceli 316 ovlivňuje rozložení zbytkového napětí po pěchování a jeho vliv na korozi a únavu života v mořském prostředí?

Korozní únava je zvláště agresivní mechanismus selhání elektrických ponorných ohřívačů specifikovaný námořními inženýry pro pobřežní plošiny, lodní systémy a pobřežní průmyslové závody, když se kombinuje cyklické mechanické zatížení a koroze chloridy. Korozní únava vede k iniciaci trhlin při mnohem nižších amplitudách napětí a kratší životnosti cyklu než čistá únava na vzduchu nebo čistá koroze ve statickém nastavení. Zbytková napětí generovaná pěchováním (které zhutňuje izolaci oxidu hořečnatého kolem odporového drátu) interagují s provozním napětím a buď urychlují nebo zpomalují tvorbu lomů v závislosti na jejich znaménku a velikosti. Tento článek kvantifikuje vliv tloušťky stěny pláště na rozložení zbytkového napětí po pěchování a vliv těchto zbytkových napětí na životnost korozní únavy v mořském prostředí.

Generování zbytkového napětí při pěchování 316 pouzder
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The size of these residual strains is dependent on wall thickness and diameter reduction. For a thin walled sheath--below 1.0 mm--the swage force penetrates almost the whole wall thickness. The resulting strong compressive stresses at the outer surface (-200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (+50 to +100 MPa) are obtained. The swaging force is taken mostly by the outside layers of the thick-walled sheath (>1,8 mm), které vyvíjejí silná tlaková napětí pouze blízko vnějšího povrchu, přičemž vnitřní vrstvy zůstávají z velké části nedotčené. Tahová napětí na vnitřním povrchu jsou rovněž nižší v důsledku méně úplného zhutnění MgO, jak je uvedeno v článku 12. Tato souvislost byla potvrzena měřením rentgenové difrakce zbytkového napětí ve zhutněných 316 pláštích. Pro plášť stěny 0,9 mm bylo povrchové tlakové napětí -280 MPa. 1,5 mm stěnový plášť byl -180 MPa. Stěnový plášť 2,0 mm vykazoval pouze -120 MPa. Tenčí plášť ukládá výhodnější tlakové napětí na vnějším povrchu, v místě iniciace korozního únavového lomu.

Vliv zbytkového kompresního napětí na iniciaci trhlin z koroze a únavy
Cyklické namáhání v tahu a korozivní elektrolyt obsahující chloridy způsobují u nerezové oceli 316 začátek korozního únavového lomu. Trhlina začíná v povrchové jámě nebo inkluzi, kde pasivní ochranný povlak selhal. Pokud je na povrchu přítomen stav zbytkového tlakového napětí, aplikované cyklické tahové napětí musí překonat toto stlačení, aby se vytvořilo čisté napětí na špičce trhliny. To výrazně zvyšuje prahové napětí pro vznik trhliny. Pro 0,9 mm 316 plášť s -280 MPa povrchovým zbytkovým tlakem má aplikované cyklické napětí +200 MPa za následek pouze -80 MPa na povrchu, stále tlakový a neschopný iniciovat únavovou trhlinu. Pouze cyklické napětí přesahující + 280 MPa generuje čisté napětí na povrchu. Pro srovnání, plášť o tloušťce 2,0 mm, který má povrchovou kompresi pouze -120 MPa, je v čistém napětí, když je aplikované napětí větší než +120 MPa, což je mnohem nižší práh. Testy korozní únavy v syntetické mořské vodě při 60 stupních potvrzují tento efekt. Vzorky s tloušťkou stěny 0,9 mm a značným zbytkovým tlakem vydržely 10 milionů cyklů při 250 MPa aplikovaném střídavém namáhání bez vzniku trhlin. Při stejném aplikovaném zatížení vzorky s malým zbytkovým stlačením a tloušťkou stěny 2,0 mm selhaly po 2 milionech cyklů. Tenčí plášť poskytl pětkrát delší korozní únavovou životnost i přes sníženou absolutní tloušťku stěny.

Vyměňte-výhodu zbytkového stresu a okraj tloušťky stěny
Ten{0}}stěnné pláště mají výhodu při korozní únavě, ale ta musí být vyvážena spodním okrajem materiálu v případě vzniku trhlin. Plášť o tloušťce 0,9 mm se značným zbytkovým stlačením může být odolný proti vzniku trhlin po miliony cyklů. Jakmile však trhlina překoná pole zbytkového napětí, řekněme v důsledku velké povrchové jámy nebo krátkého přetížení, stačí, aby se rozšířila přes 0,9 mm materiálu, aby způsobila perforaci. Plášť o tloušťce 2,0 mm s menším zbytkovým stlačením může začít praskat při menším počtu cyklů, ale trhlina musí postoupit přes 2,0 mm, aby došlo k selhání. Celkový život do selhání je součtem života zasvěcení a života propagace. Výsledky zkoušek koroze rotujícího paprsku v mořské vodě 60C jsou použity k ilustraci následujících celkových cyklů do porušení pro pláště 10 mm OD 316 při střídavém namáhání 200 MPa. Pochva 0,8 mm měla celkem 12 milionů cyklů (11,5 milionů spuštění, 0,5 milionů propagace). 1,2mm pouzdro provedlo 8 milionů cyklů (1 milion propagace, 7 milionů spuštění). 5 milionů cyklů (3 miliony spuštění, 2 miliony propagace) pro 1,6mm pouzdro. 2,0 mm pochva přežila 3,5 milionu cyklů (1,5 milionu iniciace, 2 miliony propagace). Okraj šíření je malý, ale silná zbytková komprese tenkostěnného pouzdra má za následek dlouhou celkovou životnost.

Mořské prostředí Koroze Únava Životní matice výběru
Následující tabulka ukazuje doporučené tloušťky stěny pláště 316 pro elektrické ponorné ohřívače v námořním provozu v závislosti na odhadované amplitudě cyklického namáhání a potřebné životnosti. Hodnoty platí pro nepřetržité vystavení mořské vodě nebo brakické vodě o teplotě 30–60 stupňů a také pro běžné techniky pěchování bez následného- žíhání.

Očekávaná amplituda cyklického namáhání Požadovaná životnost Doporučeno 316 Tloušťka stěny pláště Dominantní režim selhání Důvod návrhu
Nízká (< 50 MPa) > 10 years 1.2 – 1.6 mm Crevice corrosion Residual stress benefit less essential. Corrosion allowance drives thickness
Střední (50 – 150 MPa) 5 – 10 let 1,0 – 1,2 mm Iniciace korozní únavy Tenká stěna pro vysoké zbytkové stlačení, aby se zabránilo vzniku trhlin
Střední (50 – 150 MPa) > 10 let 1,4 – 1,6 mm s post-zápustným žíháním Šíření po zahájení Žíhání snižuje přínos zbytkového stresu; spoléhat na tloušťku okraje
Vysoká (150 – 250 MPa) 3 – 5 let 0,8 – 1,0 mm Iniciace korozní únavy Maximální zbytková komprese nutnost; přijatelná snížená životnost.
Vysoká (150 – 250 MPa) > 5 let Není životaschopná pro 316LOpřetížení nebo rychlé praskání Upgrade na Incoloy 825 nebo titan
Variabilní s častým přetížením Jakékoli šíření o 1,6 – 2,0 mm po neočekávané trhlině Tloušťková rezerva chrání před stochastickými událostmi
V aplikacích, kde jsou cyklická napětí indukována vibracemi, cyklováním tepelné roztažnosti nebo změnami tlaku, je důležité být schopen změřit nebo odhadnout amplitudu napětí. Při absenci měření je mírná úroveň napětí 100 MPa obezřetným selháním. V těchto případech poskytuje tloušťka stěny 1,2 mm optimální kompromis mezi výhodou zbytkového napětí a rezervou pro šíření. Inženýři by také měli zvážit doporučení dodatečného-žíhání pro silnostěnné-stěny používané v aplikacích s vysokými{7}}cykly. Žíhání při 1050 stupních zcela odstraňuje zbytková napětí a tím výhodu korozní únavy tenkých stěn, ale také tahová zbytková napětí na vnitřním povrchu, která mohou vést k šíření lomu. Žíhaný 1,6mm plášť má podobnou celkovou únavovou životnost jako-nežíhaný 1,2mm plášť, což nabízí alternativní přístup k dosažení dlouhé životnosti bez spoléhání se na tenké stěny. Výrobní kapacita a náklady jsou funkcí úzkých stěn s vysokým zbytkovým napětím nebo silných stěn s žíháním. Pro většinu námořních aplikací s přítomnými, ale ne silnými vibracemi, tloušťka stěny 1,2-1,4 mm s normálním pěchováním poskytne spolehlivý výkon při únavě z koroze bez dalšího zpracování.