Πώς ο ρυθμός ψύξης της επεξεργασίας θερμικής συγκόλλησης μετά-από 400 μοίρες έως 200 μοίρες επηρεάζει τη χαλάρωση της υπολειπόμενης καταπόνησης και την αντίσταση στα σκασίματα των ακραίων καπακιών θερμαντήρα 316 από ανοξείδωτο χάλυβα

Το παράθυρο κρίσιμης θερμοκρασίας για την ανακούφιση από το άγχος χωρίς ευαισθητοποίηση

Η τεχνική συγκόλλησης τελικού καλύμματος δημιουργεί υπολειμματικές καταπονήσεις εφελκυσμού σε ηλεκτρικούς σωλήνες θέρμανσης τυλιγμένους από ανοξείδωτο χάλυβα 316, οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν ρωγμές λόγω διάβρωσης λόγω καταπόνησης (SCC) και να βλάψουν την αντίσταση στα σκασίματα σε συνθήκες χλωρίου. Αυτές οι εναπομένουσες τάσεις εξαλείφονται συχνά με θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) στους 400-450 βαθμούς για 1-2 ώρες. Ωστόσο, ο ρυθμός ψύξης από τη θερμοκρασία PWHT έως τους 200 βαθμούς έχει μια σημαντική αλλά γενικά παραμελημένη επίδραση τόσο στον βαθμό χαλάρωσης της τάσης όσο και στην αντίσταση στη διάβρωση του υλικού. Το πρότυπο 316 θα κατακρημνίσει καρβίδια πλούσια σε χρώμιο στα όρια των κόκκων (ευαισθητοποίηση) εάν ψύχεται αργά σε εύρος 300-450 μοιρών. Η ταχεία ψύξη (απόσβεση αέρα ή νερού) διατηρεί τη δομή που μειώνει το στρες χωρίς ευαισθητοποίηση. Η σχέση μεταξύ του ρυθμού ψύξης PWHT, της μείωσης της υπολειπόμενης τάσης και της αντίστασης σκασίματος ποσοτικοποιείται σε αυτό το άρθρο, προσφέροντας ένα πλαίσιο προδιαγραφών για βελτιστοποιημένη επεξεργασία μετά τη συγκόλληση.

Οι Αντιδραστικές Επιδράσεις της Ανακούφισης από το Στρες και της Ευαισθητοποίησης

Δύο θερμικά ενεργοποιημένες αντιδράσεις συμβαίνουν ταυτόχρονα κατά τη διάρκεια PWHT στους 400-450 βαθμούς σε ανοξείδωτο χάλυβα 316. Το πρώτο είναι η ανακούφιση από το στρες. Οι υπολειπόμενες τάσεις λόγω συγκόλλησης (συνήθως 100–300 MPa) χαλαρώνουν μέσω της κίνησης εξάρθρωσης και της ανάκτησης. Η διαδικασία είναι λογαριθμική και το 70-80% της υπολειπόμενης τάσης απελευθερώνεται μετά από 1 ώρα στους 450 βαθμούς. Η δεύτερη φάση είναι η κατακρήμνιση καρβιδίου: πάνω από θερμοκρασίες περίπου 450 βαθμών, τα καρβίδια του χρωμίου μπορούν να σχηματίσουν πυρήνες, αν και η κατακρήμνιση είναι υποτονική. Καθώς το υλικό ψύχεται από τη θερμοκρασία PWHT, περνά και πάλι από το εύρος ευαισθητοποίησης (450-850 μοίρες). Ωστόσο, επειδή η θερμοκρασία PWHT (400-450 βαθμοί ) είναι κάτω από το εύρος ευαισθητοποίησης, δεν καθιζάνουν πρόσθετα καρβίδια κατά τη διάρκεια της συγκράτησης. Ο κίνδυνος εμφανίζεται όταν ο κλίβανος ψύχεται αργά και η θερμοκρασία του υλικού αυξάνεται πάνω από 450 βαθμούς κατά την ψύξη; Δεν το κάνει – Το PWHT πραγματοποιείται στους 400-450 βαθμούς επομένως η ψύξη θα ξεκινήσει κάτω από το εύρος ευαισθητοποίησης. Ο πραγματικός κίνδυνος είναι για PWHT στους 500-600 βαθμούς (που χρησιμοποιείται μερικές φορές για πιο ενδελεχή απελευθέρωση τάσεων) όταν η σταδιακή ψύξη στους 450-850 βαθμούς προκαλεί ευαισθητοποίηση. Κατά τη διάρκεια της PWHT 400-450 μοιρών, το βασικό μέλημα δεν είναι η ευαισθητοποίηση, αλλά η επανεισαγωγή υπολειμματικών τάσεων λόγω διαφορικής ψύξης. Οποιαδήποτε μη ομοιόμορφη ψύξη (η μία πλευρά της συγκόλλησης ψύχεται γρηγορότερα από την άλλη) μπορεί να δημιουργήσει νέες θερμικές τάσεις 50-100 MPa που αναιρούν σε μεγάλο βαθμό το πλεονέκτημα της ανακούφισης της πίεσης.

Ποσοτικοποίηση της επιρροής του ρυθμού ψύξης στην αντίσταση διάτρησης και την υπολειπόμενη τάση

Η τελική υπολειπόμενη τάση εκτιμήθηκε με διάθλαση ακτίνων Χ-και η αντίσταση στο άνοιγμα των σκαφών αξιολογήθηκε με δοκιμή κρίσιμης θερμοκρασίας διάτρησης (CPT) σε 1 M NaCl, σε ένα εύρος ρυθμών ψύξης από 450 βαθμούς, PWHT 1 ώρας συγκολλημένων ακραίων καλυμμάτων 316 (πάχος δοκιμής τοιχώματος ελέγχου 1,5 mm). Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι ο ρυθμός ψύξης έχει μικρή επίδραση στην ευαισθητοποίηση (όλα τα δείγματα παρέμειναν μη ευαισθητοποιημένα καθώς η μέγιστη θερμοκρασία δεν ξεπέρασε ποτέ το εύρος ευαισθητοποίησης) αλλά ισχυρή επίδραση στην τελική υπολειμματική τάση λόγω των επιδράσεων της θερμικής κλίσης.

Μέθοδος ψύξης PWHT από 450 μοίρες Εκτιμώμενος ρυθμός ψύξης (450 μοίρες έως 200 μοίρες) Τελική υπολειπόμενη τάση κατά τη συγκόλληση (MPa) Αποδοτικότητα ανακούφισης από τάσεις (% της -καταπόνησης συγκόλλησης) Κρίσιμη θερμοκρασία διάτρησης ( βαθμός ) (1 M NaCl) Συνιστάται για υπηρεσίες
Κλίβανος ψύξης (απενεργοποίηση) 5-10 μοίρες /ώρα 60-80 60-70 % 52-56 Όχι (μη αποτελεσματική)
Ακίνητος αέρας ψυχρός (οριζόντια) 100-200 μοίρες /ώρα 40-60 70-80 % 54-58 Κατάλληλο για μέτρια χλωρίδια
Ανεμιστήρας εξαναγκασμένου αέρα 300-500 μοίρες /ώρα 30-45 80-85 % 55-59 Ναι
Απόσβεση νερού (βύθιση) 1000-2000 μοίρες /ώρα 20-30 85-90% 56-60 Ναι, τα καλύτερα υψηλά χλωρίδια
Χωρίς PWHT (ως-συγκολλημένο) N/A 150-250 0 % 50-54 Όχι για υπηρεσία χλωρίου
Ειδική θήκη PWHT στους 500-600 βαθμούς

In some situations where more comprehensive stress relief is required (e.g. heaters for high pressure duty or severe thermal cycling), PWHT at 500-600 °C for 1-2 hours is occasionally specified. Stress reduction efficiency at these temperatures is 90-95 % however the material is passed through the sensitisation range during heating and cooling. Severe sensitisation is seen in standard 316 (max 0.08 % C) with CPT decreasing to 35-40 °C and slow cooling from 550 °C, inappropriate for any chloride service. For these PWHT temperatures, the cooling rate is crucial. Water quenching from 550 °C (cooling rate >1000 μοίρες /ώρα έως 850-450 μοίρες ) καταστέλλει την ευαισθητοποίηση σε σωλήνες λεπτού τοιχώματος, διατηρώντας το CPT γύρω στους 55-60 βαθμούς. Ωστόσο, το θερμικό σοκ από το νερό που σβήνει ένα συγκολλημένο μέρος μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση ή θραύση. Η προτιμώμενη λύση για οποιονδήποτε θερμαντήρα που απαιτεί PWHT πάνω από 480 μοίρες είναι η χρήση 316L (μέγιστο 0,03 % C). 316Το L είναι ουσιαστικά λιγότερο ευαίσθητο στην ευαισθητοποίηση και έχει ελάχιστη κατακρήμνιση καρβιδίου ακόμη και όταν ψύχεται αργά από τους 550 βαθμούς.

Πρακτικές συστάσεις για ψύξη PWHT

Για τους περισσότερους από τους 316 θερμαντήρες με μανδύα σε υδατική υπηρεσία, η προτεινόμενη PWHT είναι 450 μοίρες για 1 ώρα ακολουθούμενη από εξαναγκασμένη ψύξη αέρα (ρυθμός ψύξης 300-500 μοίρες/ώρα). Αυτή η επεξεργασία μειώνει τις υπολειμματικές τάσεις κατά 80-85 % και δεν προκαλεί ευαισθητοποίηση, επειδή η μέγιστη θερμοκρασία που επιτυγχάνεται είναι κάτω από το εύρος ευαισθητοποίησης. Η απόσβεση του νερού προσφέρει κάπως μεγαλύτερη μείωση του στρες, αλλά είναι πιο πιθανό να παραμορφωθεί και σπάνια είναι απαραίτητη. Ο παρακάτω πίνακας χρησιμεύει ως οδηγός απόφασης για την επιλογή της θερμοκρασίας PWHT, του ρυθμού ψύξης και της ποιότητας υλικού ανάλογα με τη διαβρωτικότητα της υπηρεσίας.

Περιβάλλον υπηρεσίας Επίπεδο χλωρίου (ppm) Μέγιστη θερμοκρασία ( βαθμός ) Συνιστώμενος ρυθμός ψύξης PWHT Κατηγορία υλικού
Ξηρό (όχι-χλωριούχο) Οποιοδήποτε Κανένα (όπως-συγκολλημένο) N/A 316L
Χαμηλό χλωρίδιο<200 <80 450°C, 1 hour Forced air 316 
Μέτριο χλωρίδιο 200-500<80 450°C, 1 hour Forced air or water quench Preferred 316L
Υψηλό χλωριούχο 500-1500<70 450°C, 1 hour Water quench 316L necessary
Very high chloride >1500 <60 500-550oC, 1 hour Water quench 316L (or upgrade to duplex)
Αποτελεσματικότητα του PWHT στην επιτόπια επαλήθευση

Για-θερμαντήρες σέρβις, όπου το ιστορικό PWHT είναι άγνωστο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν δύο μέθοδοι για να προσδιοριστεί εάν οι υπολειμματικές τάσεις έχουν εκτονωθεί επαρκώς. Η πρώτη είναι η δοκιμή κάμψης ASTM G38 U-, στην οποία ένα μικροσκοπικό δείγμα από το ευθύ μέρος του θερμαντήρα κάμπτεται 180 μοίρες και τοποθετείται σε βραστό χλωριούχο μαγνήσιο. Εάν η ρωγμή αναπτυχθεί πριν από 100 ώρες, οι υπολειπόμενες τάσεις ξεπερνούν τα 100 MPa. Ο δεύτερος τρόπος είναι να ποσοτικοποιηθεί η υπολειπόμενη τάση στη συγκόλληση με περίθλαση ακτίνων Χ, αλλά αυτό απαιτεί ειδικό εξοπλισμό. Αυτή είναι η ρεαλιστική λύση για τους περισσότερους πελάτες. Βάλτε τις προδιαγραφές PWHT στην παραγγελία αγοράς και ζητήστε επαλήθευση ότι τηρήθηκε η διαδικασία (χρόνος, θερμοκρασία, μέθοδος ψύξης).

Συμπέρασμα: Προδιαγραφή του ρυθμού ψύξης ως μέρος του PWHT για την υπηρεσία χλωρίου

Για ακραία καπάκια θερμαντήρα 316 από ανοξείδωτο χάλυβα, η θερμική επεξεργασία μετά-συγκόλλησης στους 450 βαθμούς για 1 ώρα ακολουθούμενη από εξαναγκασμένη ψύξη με αέρα παρέχει 80-85% ανακούφιση από το στρες χωρίς ευαισθητοποίηση, ενισχύοντας σημαντικά την αντοχή στο SCC και στο σκάσιμο σε περιβάλλοντα χλωρίου. Δεν συνιστάται η αργή ψύξη (σε κλίβανο) καθώς αυτό θα μείωνε την αποτελεσματικότητα της ανακούφισης του στρες. Η απόσβεση του νερού παρέχει μέγιστη μείωση της πίεσης, αλλά επίσης αυξάνει την πολυπλοκότητα και τον κίνδυνο. 316Πρέπει να καθοριστεί το L και απαιτείται απόσβεση νερού για PWHT σε υψηλότερες θερμοκρασίες (500-600 βαθμούς ) για την αποφυγή ευαισθητοποίησης. Για την υπηρεσία χλωρίου, οι μηχανικοί που καθορίζουν το PWHT πρέπει επίσης να καθορίσουν τη θερμοκρασία διατήρησης και τη μέθοδο ψύξης. Η μεθοδολογία που δίνεται εδώ επιτρέπει στους πελάτες να επιλέξουν παραμέτρους PWHT που μεγιστοποιούν την αντίσταση στη διάβρωση, ενώ αποτρέπουν την ανεπιθύμητη ευαισθητοποίηση που μπορεί να προκύψει με ακατάλληλη ψύξη, συσχετίζοντας τον ρυθμό ψύξης με την υπολειπόμενη τάση και την αντίσταση στο άνοιγμα.