Πώς επηρεάζει το πάχος τοιχώματος της θήκης από ανοξείδωτο χάλυβα 316 την κατανομή της υπολειπόμενης τάσης μετά την αιώρηση και την επίδρασή της στη ζωή κόπωσης από διάβρωση σε θαλάσσια περιβάλλοντα;

Η κόπωση από τη διάβρωση είναι ένας ιδιαίτερα επιθετικός μηχανισμός αστοχίας για ηλεκτρικούς θερμαντήρες εμβάπτισης που καθορίζονται από μηχανικούς ναυτιλίας για υπεράκτιες πλατφόρμες, συστήματα πλοίων και παράκτιες βιομηχανικές εγκαταστάσεις όταν συνδυάζονται κυκλικό μηχανικό φορτίο και διάβρωση χλωρίου. Η κόπωση από τη διάβρωση οδηγεί σε εκκίνηση ρωγμών σε πολύ χαμηλότερα πλάτη τάσης και μικρότερη διάρκεια ζωής από την καθαρή κόπωση στον αέρα ή την καθαρή διάβρωση σε στατικές ρυθμίσεις. Οι υπολειπόμενες τάσεις που δημιουργούνται από την αιώρηση (που συμπιέζει τη μόνωση του οξειδίου του μαγνησίου γύρω από το σύρμα αντίστασης) αλληλεπιδρούν με τις τάσεις λειτουργίας και είτε επιταχύνουν είτε επιβραδύνουν το σχηματισμό θραύσης ανάλογα με το πρόσημο και το μέγεθός τους. Αυτό το άρθρο ποσοτικοποιεί την επίδραση του πάχους του τοιχώματος του περιβλήματος στην κατανομή της υπολειπόμενης τάσης μετά την αιώρηση και την επίδραση αυτών των υπολειμματικών τάσεων στη διάρκεια ζωής κόπωσης λόγω διάβρωσης σε θαλάσσιο περιβάλλον.

Δημιουργία υπολειπόμενης πίεσης στην αιώρηση 316 θηκών
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), οι οποίες αναπτύσσουν ισχυρές θλιπτικές τάσεις μόνο κοντά στην εξωτερική επιφάνεια, αφήνοντας τα εσωτερικά στρώματα σε μεγάλο βαθμό ανέγγιχτα. Οι τάσεις εφελκυσμού στην εσωτερική επιφάνεια είναι επίσης χαμηλότερες λόγω της λιγότερο πλήρους συμπίεσης MgO όπως αναφέρεται στο άρθρο 12. Αυτή η σύνδεση επιβεβαιώθηκε από μετρήσεις περίθλασης ακτίνων Χ της υπολειπόμενης τάσης στα περιβλήματα 316 swaged. Για ένα περίβλημα τοίχου 0,9 mm η επιφανειακή θλιπτική τάση ήταν -280 MPa. Μια θήκη τοίχου 1,5 mm ήταν -180 MPa. Η θήκη τοίχου 2,0 mm παρουσίαζε μόνο -120 MPa. Το λεπτότερο περίβλημα αποθηκεύει πιο πλεονεκτική θλιπτική τάση στην εξωτερική επιφάνεια, τη θέση έναρξης θραύσης λόγω κόπωσης από διάβρωση.

Η επίδραση της υπολειπόμενης συμπιεστικής τάσης στην έναρξη της ρωγμής λόγω κόπωσης από τη διάβρωση
Η κυκλική τάση εφελκυσμού και ο διαβρωτικός ηλεκτρολύτης που περιέχει χλωρίδια προκαλούν ρωγμές από τη διάβρωση, ξεκινώντας από τον ανοξείδωτο χάλυβα 316. Η ρωγμή ξεκινά από ένα επιφανειακό λάκκο ή έγκλειστο όπου η παθητική προστατευτική επίστρωση έχει αποτύχει. Εάν υπάρχει μια κατάσταση υπολειπόμενης θλιπτικής τάσης στην επιφάνεια, η εφαρμοζόμενη κυκλική τάση εφελκυσμού πρέπει να υπερνικήσει αυτή τη συμπίεση για να δημιουργήσει καθαρή τάση στο άκρο της ρωγμής. Αυτό αυξάνει σημαντικά την οριακή τάση για την έναρξη της ρωγμής. Για ένα περίβλημα 0,9 mm 316 με -υπόλοιπη επιφανειακή συμπίεση 280 MPa, μια εφαρμοζόμενη κυκλική τάση +200 MPa έχει ως αποτέλεσμα μόλις -80 MPa δίχτυ στην επιφανειακή συμπίεση και δεν μπορεί να προκαλέσει ρωγμή λόγω κόπωσης. Μόνο η κυκλική τάση που υπερβαίνει τα + 280 MPa δημιουργεί την καθαρή τάση στην επιφάνεια. Συγκριτικά, ένα περίβλημα 2,0 mm που έχει επιφανειακή συμπίεση μόλις -120 MPa βρίσκεται σε καθαρή τάση όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από +120 MPa, ένα πολύ χαμηλότερο όριο. Οι δοκιμές κόπωσης από διάβρωση σε συνθετικό θαλασσινό νερό στους 60 βαθμούς επικυρώνουν αυτό το αποτέλεσμα. Δείγματα με πάχος τοιχώματος 0,9 mm και σημαντική υπολειπόμενη συμπίεση διατήρησαν 10 εκατομμύρια κύκλους στα 250 MPa που εφάρμοσαν εναλλασσόμενη τάση χωρίς εκκίνηση ρωγμών. Με το ίδιο εφαρμοζόμενο φορτίο, δείγματα με μικρή υπολειπόμενη συμπίεση και πάχος τοιχώματος 2,0 mm απέτυχαν μετά από 2 εκατομμύρια κύκλους. Το λεπτότερο περίβλημα απέδωσε πέντε φορές μεγαλύτερη διάρκεια κόπωσης λόγω διάβρωσης παρά το μειωμένο απόλυτο πάχος τοιχώματος.

Ανταλλαγή-Μεταξύ του οφέλους υπολειπόμενου στρες και του περιθωρίου πάχους τοιχώματος
Οι θήκες με λεπτά τοιχώματα-έχουν το πλεονέκτημα στην κόπωση από τη διάβρωση, αλλά αυτό πρέπει να εξισορροπηθεί με το χαμηλότερο περιθώριο υλικού σε περίπτωση που ξεκινήσει μια ρωγμή. Το περίβλημα 0,9 mm, με σημαντική υπολειπόμενη συμπίεση, μπορεί να είναι ανθεκτικό στην εκκίνηση ρωγμών για εκατομμύρια κύκλους. Ωστόσο, μόλις μια ρωγμή ξεπεράσει το πεδίο της υπολειπόμενης τάσης, ας πούμε λόγω ενός τεράστιου επιφανειακού λάκκου ή μιας σύντομης υπερφόρτωσης, χρειάζεται μόνο να διαδοθεί μέσω 0,9 mm υλικού για να προκαλέσει διάτρηση. Ένα περίβλημα 2,0 mm με λιγότερη υπολειπόμενη συμπίεση μπορεί να προκαλέσει ρωγμή σε λιγότερους κύκλους, αλλά η ρωγμή πρέπει να προχωρήσει κατά 2,0 mm για να προκαλέσει αστοχία. Η συνολική ζωή μέχρι την αποτυχία είναι το άθροισμα της ζωής έναρξης και της ζωής διάδοσης. Τα αποτελέσματα της δοκιμής κόπωσης από διάβρωση περιστρεφόμενης δοκού σε θαλασσινό νερό 60C χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση των ακόλουθων συνολικών κύκλων αστοχίας για περιβλήματα OD 316 10 mm σε εναλλασσόμενη τάση 200 MPa. Ένα περίβλημα 0,8 mm είχε 12 εκατομμύρια κύκλους συνολικά (11,5 εκατομμύρια έναρξη, 0,5 εκατομμύρια διάδοση). Μια θήκη 1,2 mm πραγματοποίησε 8 εκατομμύρια κύκλους (1 εκατομμύριο διάδοση, 7 εκατομμύρια έναρξη). 5 εκατομμύρια κύκλους (3 εκατομμύρια έναρξη, 2 εκατομμύρια διάδοση) για μια θήκη 1,6 mm. Μια θήκη 2,0 mm επέζησε 3,5 εκατομμυρίων κύκλων (1,5 εκατομμύρια εκκίνηση, 2 εκατομμύρια διάδοση). Το περιθώριο διάδοσης είναι μικρό, αλλά η ισχυρή υπολειμματική συμπίεση του περιβλήματος λεπτού τοιχώματος-έχει ως αποτέλεσμα μεγάλη συνολική διάρκεια ζωής.

Θαλάσσιο περιβάλλον Διάβρωση Κόπωσης Ζωής Επιλογής Μήτρα
Ο παρακάτω πίνακας δείχνει συνιστώμενα πάχη τοιχώματος περιβλήματος 316 για ηλεκτρικούς θερμαντήρες εμβάπτισης σε θαλάσσια υπηρεσία ανάλογα με το εκτιμώμενο εύρος κυκλικής τάσης και την απαραίτητη διάρκεια ζωής. Οι τιμές είναι για συνεχή έκθεση σε θαλασσινό νερό ή σε υφάλμυρο νερό στους 30–60 μοίρες και επίσης για κανονικές τεχνικές αιώρησης χωρίς ανόπτηση μετά την-σάλπιγγα.

Αναμενόμενο εύρος κυκλικής καταπόνησης Απαιτούμενη διάρκεια ζωής Συνιστώμενη 316 Πάχος τοιχώματος θήκης Κυρίαρχη λειτουργία αστοχίας Σχεδιασμός
Χαμηλό (< 50 MPa) > 10 years 1.2 – 1.6 mm Crevice corrosion Residual stress benefit less essential. Corrosion allowance drives thickness
Μέτρια (50 – 150 MPa) 5 – 10 χρόνια 1,0 – 1,2 mm Έναρξη κόπωσης από διάβρωση Λεπτό τοίχωμα για υψηλή υπολειμματική συμπίεση για αποφυγή ρωγμών
Μέτρια (50 – 150 MPa) > 10 χρόνια 1,4 – 1,6 mm με μετα-αναδιάταξη μετά την έναρξη Η ανόπτηση μειώνει το πλεονέκτημα της υπολειπόμενης καταπόνησης. βασίζονται στο περιθώριο πάχους
Υψηλό (150 – 250 MPa) 3 – 5 χρόνια 0,8 – 1,0 mm Έναρξη διάβρωσης κόπωσηΜέγιστη υπολειπόμενη συμπίεση απαραίτητη. αποδεκτή μειωμένη διάρκεια ζωής.
Υψηλό (150 – 250 MPa) > 5 χρόνια Μη βιώσιμο για 316LOoverload ή γρήγορο σπάσιμο Αναβάθμιση σε Incoloy 825 ή τιτάνιο
Μεταβλητή με συχνή υπερφόρτωσηΟποιαδήποτε διάδοση 1,6 – 2,0 mm μετά από απροσδόκητη ρωγμή Το περιθώριο πάχους προστατεύει από στοχαστικά συμβάντα
Σε εφαρμογές όπου οι κυκλικές τάσεις προκαλούνται από κραδασμούς, κύκλους θερμικής διαστολής ή αλλαγές πίεσης, είναι σημαντικό να μπορούμε να μετρήσουμε ή να εκτιμήσουμε το πλάτος της τάσης. Ελλείψει μέτρησης, ένα μέτριο επίπεδο τάσης 100 MPa είναι μια συνετή προεπιλογή. Σε αυτές τις περιπτώσεις το πάχος τοιχώματος 1,2 mm δίνει τον βέλτιστο συμβιβασμό μεταξύ του πλεονεκτήματος της υπολειπόμενης τάσης και του περιθωρίου διάδοσης. Οι μηχανικοί θα πρέπει επίσης να εξετάσουν το ενδεχόμενο να προτείνουν την ανόπτηση μετά-μετατόπισης για παχιά-θηκάρια με τοιχώματα που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλού-κύκλου. Η ανόπτηση στους 1050 μοίρες αφαιρεί πλήρως τις υπολειμματικές τάσεις και συνεπώς το πλεονέκτημα κόπωσης από τη διάβρωση των λεπτών τοιχωμάτων, αλλά και τις υπολειμματικές τάσεις εφελκυσμού στην εσωτερική επιφάνεια που μπορούν να οδηγήσουν σε διάδοση θραύσης. Μια ανοπτημένη θήκη 1,6 mm έχει παρόμοια συνολική διάρκεια κόπωσης με μια μη ανοπτημένη θήκη 1,2 mm, προσφέροντας μια εναλλακτική προσέγγιση για την επίτευξη μεγάλης διάρκειας ζωής χωρίς να βασίζεστε σε λεπτά τοιχώματα. Η ικανότητα κατασκευής και το κόστος είναι συνάρτηση στενών τοίχων με υψηλή υπολειμματική τάση ή παχιών τοιχωμάτων με ανόπτηση. Για τις περισσότερες θαλάσσιες εφαρμογές με παρόντες κραδασμούς αλλά όχι έντονους, ένα πάχος τοιχώματος 1,2-1,4 mm με κανονική αιώρηση θα δώσει αξιόπιστη απόδοση κόπωσης από τη διάβρωση χωρίς επιπλέον επεξεργασία.