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 amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1,8 mm) je pěchovací síla absorbována převážně ve vnějších vrstvách a velká tlaková napětí vznikají pouze v blízkosti vnějšího povrchu, vnitřní vrstvy jsou relativně neovlivněné. Tahová napětí na vnitřním povrchu jsou také snížena v důsledku méně úplného zhutnění MgO. Studie rentgenové difrakce zbytkového napětí v zapíchnutých 316 pláštích potvrzují tuto korelaci. Pro plášť stěny 0,9 mm bylo povrchové tlakové napětí -280 MPa. Nástěnný plášť o tloušťce 1,5 mm měl hodnotu -180 MPa. 2.0 mm, plášť stěny odhalil pouhých -120 MPa. Tenčí plášť má příznivější tlakové napětí na vnějším povrchu, kde se obecně tvoří trhliny způsobené korozní únavou.

Role zbytkového tlakového napětí při retardaci koroze, únavě, iniciace trhlin
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 úroveň napětí potřebnou k iniciaci trhliny. Pokud je povrchová zbytková komprese -280 MPa a aplikované cyklické napětí je +200 MPa, pak je síť na povrchu -80 MPa. Toto je stále tlakové a nemůže iniciovat únavovou trhlinu. Síťové napětí existuje pouze v případě, že je cyklické napětí vyšší než +280 MPa. 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 °C tento efekt potvrzují. 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 odolá iniciaci trhlin po miliony cyklů. Jakákoli trhlina, která překonala pole zbytkového napětí, ať už velkou povrchovou jámou nebo přechodným přetížením, má před perforací k šíření pouze 0,9 mm materiálu. Plášť o tloušťce 2,0 mm s menším zbytkovým stlačením může způsobit trhlinu v méně cyklech, ale trhlina se musí rozšířit o 2,0 mm, aby došlo k porušení. Celková životnost do selhání=Životnost iniciace + životnost Zkouška korozní únavy ve slané vodě při 60 °C v přístroji s rotujícím paprskem poskytuje následující celkové cykly do selhání pro pláště 316 o vnějším průměru 10 mm při střídavém namáhání 200 MPa. 0,8 mm pochva dosáhla celkem 12 milionů cyklů, 11,5 milionů pro iniciaci a 0,5 milionů pro propagaci. Pochva o průměru 1,2 mm vydržela 8 milionů cyklů, 7 milionů pro iniciaci a 1 milion pro šíření. Pochva o průměru 1,6 mm vydržela 5 milionů cyklů (3 miliony pro iniciaci a 2 miliony pro propagaci). 2,0 mm pochva proběhla po 3,5 milionu cyklů, z nichž 1,5 milionu bylo pro iniciaci a 2 miliony pro propagaci. Tenkostěnný plášť má nejvyšší zbytkovou kompresi a nejdelší celkovou životnost, i když je okraj šíření malý.

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 °C a také pro běžné techniky kování bez následného- žíhání.

Očekávaná amplituda cyklického napětí Požadovaná životnost Doporučená tloušťka stěny pláště 316 Dominantní režim selhání Důvod návrhu
Nízká, pod 50 MPaV průběhu 10 let 1,2 – 1,6 mm Koroze ve štěrbinách Tloušťka řízena přídavkem na korozi, přínos zbytkového napětí méně významný
Střední, 50 – 150 MPa 5 – 10 let 1,0 – 1,2 mm Iniciace korozní únavy Tenká stěna poskytuje vysokou zbytkovou kompresi, aby se zabránilo praskání
Střední, 50 až 150 Mpa 10 let nebo více 1,4 – 1,6 mm s dodatečným-zápustným žíháním Šíření od původu Žíhání snižuje výhodu zbytkového napětí; použijte okraj tloušťky
Vysoká, 150 – 250 MPa 3 – 5 let 0,8 – 1,0 mm Iniciace korozivní únavy Přijměte krátkou životnost, zásadní zbytková komprese
High, 150 – 250 MPa>5 let316 Není možnéPřetížení nebo rychlé praskání Vyměňte za Incoloy 825 nebo titan
Variabilní s mnoha přebitími Jakákoli životnost 1,6 – 2,0 mm Propag. po neočekávané trhlině Okraj tloušťky chrání před nepředvídanými 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. Výběr tenkých stěn s vysokým zbytkovým napětím nebo silných stěn s žíháním závisí na výrobní kapacitě a ceně. Pro většinu námořních aplikací, kde jsou přítomny vibrace, ale nejsou silné, nabízí normální pěchování spolehlivý výkon při únavě z koroze bez dalšího zpracování, pokud je tloušťka stěny v rozsahu 1,2 až 1,4 mm.