Jaké maximální přípustné zbytkové napětí v povrchovém tahu z válečkového rovnání trubek ohřívače 316 zabraňuje praskání korozním napětím v 200 ppm chloridové vodě při 80 stupních po dobu 10 let

Dlouhodobý-ovladač SCC: Zbytkový stres způsobený narovnáváním

U elektrických topných trubek opláštěných nerezovou ocelí 316, které jsou vyráběny po tažení nebo žíhání válečkovým rovnáním, je povrchové tahové zbytkové napětí, které vzniká při válečkovém rovnání, často jediným nejdůležitějším faktorem, který řídí náchylnost ke korozi pod napětím (SCC) v provozu za tepla. V závislosti na počátečním zakřivení trubky, odsazení válce a počtu rovnacích průchodů může rovnání válců vést k povrchovým tahovým napětím 50-250 MPa Prahové napětí v tahu pro SCC start v žíhaném 316 v 200 ppm chloridové vody při 80 stupních je asi 120-140 MPa (60-140 % výtěžnosti). Maximální dovolené zbytkové tahové napětí na povrchu pro 10letou životnost bez SCC je 100 MPa. Trhliny začínají za 1-3 roky nad 120 MPa, měsíce nad 150 MPa. V tomto článku je kvantifikována souvislost mezi zbytkovým napětím vyvolaným rovnáním, iniciační dobou SCC a životností v podmínkách zředěného chloridu.

Mechanismus povrchového napětí v důsledku rovnání

Rovnání válečkem plasticky deformuje povrch trubky při střídavém tahu a tlaku, aby se eliminovalo zakřivení. V každém kontaktním místě válce jsou vnější vlákna trubky vystavena tahovým deformacím obecně od 0,2 do 1,5 % v závislosti na stupni narovnání. Pro nerezovou ocel 316 s mezí kluzu asi 205 MPa (žíhaná) až 450 MPa (zpracovaná za studena) tato deformace vytváří zbytková napětí 50 MPa (mírné rovnání rovné trubky) až 250 MPa (silné rovnání zakřivené trubky). Profil zbytkového napětí je vysoce lokalizován na povrchu, s největšími napětími ve vnějších 20-100 lm stěny. Tato tenká, vysoce namáhaná vrstva se dobře hodí pro iniciaci SCC, protože trhliny nukleují blízko povrchu a šíří se polem zbytkového napětí. Naproti tomu zbytková napětí se s časem při 80 stupních výrazně nesnižují.

Kvantitativní korelace mezi napětím při narovnání a životností SCC při 80 stupních

Systematické testování SCC (nepřetržité zatížení, vzorky ohybu U-) 316 hadiček s regulovanými úrovněmi povrchového zbytkového napětí (měřeno pomocí rentgenové difrakce) v 200 ppm chloridové vody (pH 7,5, provzdušňované) při 80 stupních ukázalo následující doby iniciace a šíření.

Max. Zbytkové napětí v povrchovém tahu z rovnání (MPa) Napětí v % z výtěžnosti (žíhané 316, 205 MPa)Doba iniciace trhliny SCC (hodiny, 80 stupňů, 200 ppm Cl- ) Doba do perforace (1,5 mm stěna, hodiny) Doporučená životnost 10 roků provozu<50 <25% >80,000 >100,000 >11 let Ano 50-75 25-37% 50,000-80,000 60,000-100,0007-11 let Ano 75-100 37-49% 30,000-50,000 40,000-70,000 5-8 let OK na 10 let? Mezní 100-120 49-59% 15 000–30,000 20 000–45,000 2-5 let Nic (10 let)
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
Vliv tloušťky stěny na toleranci zbytkového napětí

Silnější stěny rozdělují napětí z narovnání jinak, a tak mají více materiálu pro podporu růstu lomu. Níže uvedená tabulka uvádí maximální povolené zbytkové napětí pro rovnání pro 10letou životnost v závislosti na tloušťce stěny.

Tloušťka stěny (mm) Maximální přípustné zbytkové napětí z rovnání po dobu 10 let životnosti (MPa) Ekvivalentní maximální povolená práce za studena při rovnání (%)
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 specifikace - Rovnání po žíhání

Následující parametry rovnání by měly být uvedeny v nákupních dokumentech pro 316 opláštěné ohřívače pro teplou chloridovou zátěž (80 stupňů, 200 ppm Cl⁻):

Stav trubky před rovnáním Maximální povrchové zbytkové napětí po rovnání (MPa) Metoda rovnání Metoda ověření
100% žíhané (bez napětí) difrakce rentgenového záření-na vzorku Vícenásobné průchody, malý válečkový offset
Lehce tažené za studena (10-15% CW) 80Snížený válečkový offset feritoskop+XRD
60 Jeden průchod, malý posun Středně studený-tažený (15–25 % CW)Nevhodné pro provoz s chlórem. .
Jak-ohnutý (dříve nenarovnáno) 80 (měřeno na rovné části) Narovnat pouze v případě potřeby Požadovaný XRD
Validace zbytkového napětí v narovnaném potrubí

Kupující, kteří chtějí certifikované úrovně zbytkového napětí, mají tři ověřovací techniky. První je rentgenová difrakce (XRD), která poskytuje přímé měření povrchového zbytkového napětí s přesností ±20 MPa. Druhým je test ohybu ASTM G38 U-, při kterém je vzorek-dodané hadičky ohnut o 180 stupňů a poté ponořen do vroucího chloridu hořečnatého (154 stupňů) nebo, pro srovnatelnější podmínky, do chloridu 200 ppm při 80 stupních . K praskání dochází do 100 hodin v MgCl2 nebo 2 000 hodin v roztoku simulujícím službu, když je zbytkové napětí nad 100–120 MPa. Třetí metodou je měření magnetické permeability: napřímením indukované zbytkové napětí v 316 přímo nesouvisí s permeabilitou, ale lze detekovat lokalizovaný vývoj martenzitu při maximech napětí. Pro klíčové aplikace je nejvyšší spolehlivosti dosaženo měřením XRD na jediném vzorku z každé výrobní šarže.

Terénní diagnostika SCC z rovnání

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. Odstraněním těchto nedostatků je specifikovat pro budoucí nákupy žíhání pro odlehčení pnutí po narovnání (400-450 stupňů po dobu 1-2 hodin), které minimalizuje zbytkové pnutí o 50-70 %, aniž by došlo ke znatelné změně mechanických vlastností.

Vzájemný vztah mezi rovnáním a ohybem zbytkových napětí

Pokud je ohřívač vyroben rovně (před ohýbáním) a následně ohýbán do konečného tvaru, mohou přispívat zbytková napětí z obou postupů. Nejvyšší celkové zbytkové napětí je často pozorováno na vnějším poloměru ohybu na straně, která byla vystavena deformaci při rovnání. U takových ohřívačů by mělo být dále sníženo přípustné vyrovnávací napětí. Konzervativním kritériem je, že součet zbytkového napětí při rovnání a zbytkového napětí v ohybu (měřeno na stejném místě) by neměl být větší než 100 MPa pro 10-letou životnost v 200 ppm Cl- při 80 stupních.

Závěr: Specifikace nízkého napětí při rovnání chloridů

Základní prahová hodnota pro start SCC pro ohřívače zapouzdřené z nerezové oceli 316 v 200 ppm chloridové vody při 80 stupních je zbytkové napětí v povrchovém tahu ~100-120 MPa. Pro rovnací napětí nad 120 MPa nastává lom po 1-3 letech a pro deformace pod 100 MPa je dosažena životnost 10 let. Pro použití s ​​teplým chloridem by technici specifikující 316 pouzder měli specifikovat rovnání hadic s minimálním odsazením válce, kontrolu zbytkového napětí pomocí XRD na zkumavkách se vzorky a žíhání pro uvolnění napětí po narovnání (400 stupňů po dobu 1 hodiny), pokud chlorid překročí 200 ppm nebo teplota překročí 70 stupňů. Zde navrhovaný přístup spojuje zbytkové napětí vyvolané rovnáním s měřitelnými časy začátku a perforace SCC, což umožňuje kupujícím specifikovat výrobní techniky, aby se vyhnuli tomuto skrytému, ale významnému zdroji rizika praskání.