Jak profil zbytkového napětí z rovnání trubek 316 ohřívacích plášťů z nerezové oceli mění práh pro praskání koroze chloridovým napětím

Nezamýšlený zdroj: Tahové povrchové napětí z procesu rovnání.

Rovnání válců je často posledním krokem ve výrobním procesu elektrických topných trubek 316 s pláštěm z nerezové oceli předtím, než jsou nařezány na délku a ohnuty. Tento postup odstraňuje zakřivení z -tažené (nebo -žíhané) trubky jejím průchodem přes ofsetové válce a zavádí komplikovaný profil zbytkového napětí na povrch trubky. Tahová zbytková napětí 50-200 MPa jsou zavedena do vnější 50-150 µm stěny pláště na tahové straně každého kontaktního bodu rovnacího válce. Tato zbytková tahová napětí zvyšují aplikované obručové napětí tepelnou roztažností a vnitřním tlakem v prostředích obsahujících chloridy při zvýšené teplotě (nad 60 stupňů) k vyvolání korozního praskání (SCC) při napětích, která by byla bezpečná pro materiál zbavený napětí. Tento článek hodnotí korelaci mezi zbytkovým napětím způsobeným rovnáním, hladinou chloridů a iniciační dobou SCC a poskytuje specifikační limity pro zmírnění napětí po rovnání v korozním provozu.

Mechanismus povrchového napětí vyvolávajícího rovnání

Trubka z nerezové oceli se rovná válečkem průchodem mezi řadou ofsetových válců, které plasticky deformují trubku ve střídavých směrech. Tahová napětí ve vnějších vláknech trubky se obecně pohybují od 0,5 % do 2,0 % v závislosti na počátečním zakřivení a přesazení rovnacího válce. Vynucené plastické přetvoření v tahu 0,5 % u žíhané nerezové oceli 316 s mezí kluzu zhruba 205 MPa odpovídá zbytkovému napětí 150–200 MPa (75–100 % meze kluzu). Rozložení zbytkových napětí je poměrně lokalizované: největší napětí lze pozorovat v tenké povrchové vrstvě (20-100 µm hluboké), protože rovnání deformace je většinou elastické v jádru trubky a plastické pouze na povrchu. Trhliny nukleují na povrchu a prorůstají do pole objemového zbytkového napětí. Tato tenká vysoce namáhaná vrstva je ideální pro iniciaci SCC. Obvykle je směr zbytkových napětí axiální (po délce trubky) na površích trubky v kontaktu s válečky, přičemž obvodová napětí jsou na okrajích kontaktu válečků. Axiální zbytková napětí jsou zvláště problematická pro plášť ohřívače, protože jsou ve stejném směru jako obručové napětí způsobené vnitřním tlakem, přičemž tato dvě napětí se dají dohromady až do čistého tahového napětí, které urychluje rozvoj lomu.

Kvantitativní snížení prahové hodnoty SCC v důsledku vyrovnávacích napětí

Systematické testy 316 hadiček ve vroucím chloridu hořečnatém (154 stupňů, standardizovaný test SCC) ukazují, že narovnané hadičky bez uvolnění napětí po narovnání selžou za 20-}50 hodin při aplikovaném napětí 200 MPa. Stejné potrubí ve stavu bez napětí (zbytkové napětí pod 30 MPa) přežije více než 500 hodin. Za provozních podmínek použitelných pro ponorné ohřívače - 90 stupňů vody s 1 000 ppm chloridu – výsledkem jsou stejně významné. 316 pláště se zmírněným napětím odolávají 1 000 ppm chloridu po dobu 5–8 let bez SCC. Narovnané pochvy se zbytkovými povrchovými deformacemi více než 150 MPa způsobí při stejné hladině chloridů trhliny SCC během 12-24 měsíců. Pouzdra pod uvolněním napětí vydrží navždy při 500 ppm chloridu. Narovnané pochvy se rozbijí za 3-5 let. Rozhodující prahová kombinace pro iniciaci SCC bez použití vyrovnávacích sil je 60 stupňů a 300 ppm chloridu. Nad 80 stupňů kombinace jakékoli koncentrace chloridů nad 200 ppm s rovnacími zbytkovými napětími přesahujícími 100 MPa nakonec povede k SCC. Níže uvedená tabulka ukazuje čas do iniciace SCC jako funkci zbytkového povrchového napětí, koncentrace chloridů a teploty.

Zbytkové povrchové napětí z narovnání (MPa) Koncentrace chloridu (ppm) Teplota pláště ( stupně ) Doba do iniciace trhliny SCC (hodiny provozu) Doba do perforace (1,5 mm stěna) Doporučený zásah<30 (stress relieved) 1000 90 >70,000 (>8 years) >80 000 přijatelných<30 (stress relieved) 2000 80 >50,000 >60 000 Přijatelné s monitorováním 50-100 (mírné narovnání) 500 90 20, 000-30 000 (2,5-3,5 roku) 25 000-40 000 Marginální; doporučená úleva od stresu
50-100 (mírné narovnání) 1000 80 15,000-20,000 (1,7-2,3 let) 18,000-25,000 Nedoporučuje se pro nepřetržité používání 100-150 (střední narovnání) 300 90 10,000-15,000 (1,1-01,08 let,0,112008,08 nepřijatelné nad 80 stupňů 100–150 (střední narovnání) 500 80 8 000–12 000 (0,9–1,4 roku) 10 000–15 000 Nepřijatelné
150–200 (silné narovnání) 200 90 3 000–6 000 (4–8 měsíců) 4 000–8 000 Nepřijatelné pro jakýkoli chlorid
150-200 (Silné rovnání) 500 70 5 000-10 000 (7-14 měsíců) 6 000-12 000 Nahraďte trubicí odlehčenou od pnutí
Detekce a úleva od zbytkového napětí při rovnání

Kupující specifikující 316 zapouzdřených ohřívačů pro chloridové použití mají tři způsoby, jak zkontrolovat stav zbytkového napětí z narovnání. První je standardní postup ASTM G38 pro výrobu vzorků ohybu U-. Část přijímané trubice se ohne o 180° přes trn a ponoří se do vroucího chloridu hořečnatého. Pokud k prasknutí došlo během 100 hodin, zbytkové napětí z rovnání bylo dostatečné k tomu, aby způsobilo SCC bez aplikovaného napětí. Druhou technikou je detekce zbytkového napětí na povrchu trubice pomocí rentgenové difrakce (XRD). Hodnoty nad 100 MPa naznačují, že se doporučuje snížení napětí po narovnání. Třetí a nejjednodušší metodou je -tzv. „ferroxylový test“ (leptání síranem měďnatým-kyselinou sírovou), který ukazuje oblasti se značným zbytkovým napětím jako tmavší vzory leptání. Zbytková deformace pod 30 MPa pro ohřívače určené pro provoz nad 70 stupňů s chloridy nad 200 ppm se získají následným narovnáváním žíhání na odlehčení pnutí při 400-500 stupních po dobu 1-2 hodin. Plné rozpouštěcí žíhání (1040 stupňů) zcela odstraňuje zbytková napětí, ale může způsobit deformaci potrubí a je obvykle určeno pouze pro kritické aplikace. Kupující mohou potřebovat ověření odlehčení pnutí provedené dodavatelem trubek po narovnání (nebo že narovnání se neprovádí na žíhaných trubkách), což poskytuje vynutitelné zajištění kvality.

Identifikace v oblasti SCC ze zbytků rovnání

Příčina zbytků rovnání se vyznačuje tvarem trhlin při poruše ohřívače pomocí SCC. Trhliny obvykle vznikají v přímých úsecích pláště, nikoli v ohybech nebo svarech, z napětí vzniklých rovnáním. Obvykle jsou podélné (tj. rovnoběžné s osou trubky) a mohou se vyskytovat v řadě rovnoběžných linií oddělených 5-15 mm, což odpovídá vzoru kontaktu válečků. Lomy jsou transgranulární (překračují hranice zrn) pro 316 v chloridových prostředích nad 80 C při zvětšení s typickým větvením SCC. Povrch lomu není příliš tvárný. Pokud je vadný ohřívač ze šarže, u níž se po narovnání nezmírnilo pnutí, a provozní podmínky zahrnují chloridy nad 300 ppm při teplotách nad 70 stupňů, základní příčinou je pravděpodobně jistě zbytkové napětí generované rovnáním. Všechny zbývající ohřívače by měly být vyřazeny z provozu nebo upraveny ošetřením pro odlehčení pnutí, kde je to pro takové instalace možné.

Závěry: Definice kontroly zbytkového stresu pro provoz s chloridy

Profil zbytkového napětí zavedený do trubek z nerezové oceli 316 po narovnání válečkem je skrytá proměnná, která může snížit prahovou hodnotu chloridového SCC faktorem 3 až 5. Horké chloridové prostředí popraská trubku s povrchovým zbytkovým pnutím nad 100 MPa za 1-}2 roky při nastavení, když hadice se zmírněním napětí vydrží 5–10 let. Pro jakoukoli službu zahrnující chloridy nad 200 ppm a teploty nad 70 stupňů musí technici specifikující 316 opláštěné ohřívače vyžadovat jedno z následujících: uvolnění napětí po narovnání (400-500 stupňů po dobu 1-2 hodin) nebo potvrzení, že potrubí bylo narovnáno v plně žíhaném stavu s odsazením válců nastaveným tak, aby se minimalizovalo zbytkové napětí. Navržený rámec lze použít k prevenci předčasných selhání prasklin, které jsou běžně připisovány "kvalitě materiálu", ale ve skutečnosti jsou způsobeny nezvládnutým zbytkovým napětím spojeným s rovnáním trubek, tím, že se proces rovnání vztahuje k měřitelným iniciačním časům SCC.