Πώς η επιλογή πάχους τοιχώματος θήκης από ανοξείδωτο χάλυβα 316 επηρεάζει τον κίνδυνο διάβρωσης λόγω καταπόνησης σε περιβάλλοντα με ζεστό χλωριούχο άλας πάνω από 60 βαθμούς Κελσίου;

Στην περίπτωση μηχανικών χημικών εργοστασίων και προσωπικού συντήρησης που καθορίζουν ηλεκτρικούς θερμαντήρες εμβάπτισης για εφαρμογές που περιλαμβάνουν διαλύματα ζεστού χλωρίου, όπως εναλλάκτες θερμότητας με θαλασσινό νερό, δεξαμενές συγκέντρωσης άλμης και ορισμένοι εξοπλισμός επεξεργασίας τροφίμων, η διάβρωση λόγω καταπόνησης αποτελεί ξεχωριστό τρόπο αστοχίας από τη γενική διάβρωση με διάβρωση ή ρωγμές. Σε αντίθεση με την ομοιογενή λέπτυνση τοίχων, η διάβρωση λόγω καταπόνησης οδηγεί σε διακλαδισμένες διακοκκώδεις ή διακοκκώδεις ρωγμές που μπορούν να τρυπήσουν ένα περίβλημα από ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε εβδομάδες ή μήνες, συνήθως με ελάχιστη ορατή προειδοποίηση. Η αλληλεπίδραση της εφαρμοζόμενης ή υπολειπόμενης τάσης εφελκυσμού, της συγκέντρωσης χλωρίου, της θερμοκρασίας και του πάχους τοιχώματος αποφασίζει εάν ένα συγκεκριμένο περίβλημα θα παραμείνει για χρόνια ή θα αποτύχει καταστροφικά. Αυτό το άρθρο ποσοτικοποιεί την επίδραση του πάχους του τοιχώματος στον κίνδυνο ρωγμής λόγω διάβρωσης λόγω της επίδρασής του στο μέγεθος των υπολειπόμενων τάσεων από την κατασκευή και στον χρόνο που απαιτείται για τη διάδοση μιας ρωγμής στον τοίχο.

Οι τρεις βασικές προϋποθέσεις για ρωγμές από διάβρωση λόγω καταπόνησης σε 316 περιβλήματα
Η διάβρωση λόγω καταπόνησης ωστενιτικών ανοξείδωτων χάλυβων όπως το 316 απαιτεί τρεις ταυτόχρονες συνθήκες για να συμβεί, ένα ευαίσθητο υλικό, ένα κρίσιμο επίπεδο εφελκυστικής τάσης και ένα διαβρωτικό περιβάλλον που περιέχει χλωρίδια, σε θερμοκρασίες γενικά πάνω από 60 βαθμούς . 316 είναι λιγότερο επιρρεπές σε προσβολή από 304 αλλά όχι ανοσία. Οι εφελκυστικές τάσεις μπορούν να εφαρμοστούν εξωτερικά μέσω πίεσης συστήματος ή θερμικής διαστολής ή μπορεί να είναι υπολειμματικές τάσεις από διαδικασίες κατασκευής όπως κάμψη, ταλάντωση και συγκόλληση του περιβλήματος. Η λειτουργία αιώρησης που χρησιμοποιείται για τη συμπύκνωση της μόνωσης του οξειδίου του μαγνησίου γύρω από το σύρμα αντίστασης στα καλύμματα θέρμανσης επιβάλλει μεγάλες υπολειπόμενες περιφερειακές εφελκυστικές τάσεις στην εξωτερική επιφάνεια του σωλήνα 316. Αυτές οι παραμένουσες τάσεις μπορεί να είναι τόσο υψηλές όσο η αντοχή διαρροής του υλικού και αποτελούν τον κινητήριο παράγοντα για την έναρξη της ρωγμής σε χαμηλές εφαρμοζόμενες τάσεις. Ο ρυθμός διάδοσης μιας ρωγμής από διάβρωση λόγω τάσης σε λάκκο ή επιφανειακό ελάττωμα μετά την έναρξη είναι 0,1-10 χιλιοστά το μήνα, ανάλογα με την περιεκτικότητα σε χλωριούχα και τη θερμοκρασία. Η διάδοση της ρωγμής συνεχίζεται έως ότου το υπόλοιπο πάχος τοιχώματος είναι ανεπαρκές για να συγκρατήσει την πίεση μέσα ή η ρωγμή διεισδύσει στο εσωτερικό τοίχωμα με αποτέλεσμα την είσοδο υγρού διεργασίας και την ηλεκτρική αστοχία.

Επίδραση του πάχους του τοιχώματος στην έναρξη και τη διάδοση ρωγμών
Το πάχος του τοιχώματος έχει δύο αντίθετες επιπτώσεις στον κίνδυνο ρωγμών λόγω διάβρωσης λόγω τάσης. Πρώτον, οι λεπτότεροι τοίχοι τείνουν να έχουν υψηλότερες υπολειμματικές τάσεις για την ίδια μείωση ταλάντωσης επειδή η ψυχρή εργασία εκτείνεται περαιτέρω στη διατομή του τοίχου. Ένα περίβλημα 0,8 mm μπορεί να έχει επιφανειακές υπολειμματικές τάσεις 400-500 MPa μετά την περιτύλιξη, αλλά ένα περίβλημα 2,0 mm ίδιας εξωτερικής διαμέτρου μπορεί να έχει μόνο 200-300 MPa υπολειμματική τάση, καθώς το φαινόμενο ψυχρής εργασίας περιορίζεται σε ένα πιο ρηχό επιφανειακό στρώμα σε σχέση με το συνολικό πάχος. Η υψηλότερη υπολειμματική τάση μειώνει το χρόνο για την έναρξη της ρωγμής. Δεύτερον, ο χρόνος μέχρι τη διάτρηση για έναν δεδομένο ρυθμό διάδοσης ρωγμής είναι ευθέως ανάλογος με το πάχος του τοιχώματος που απομένει μόλις αρχίσει μια ρωγμή{10}} μήνες για να τρυπήσει ένα περίβλημα 2,0 mm, ωστόσο ένα κάταγμα που εξαπλώνεται με ταχύτητα 0,5 mm/μήνα θα διαπεράσει ένα περίβλημα 0,8 mm σε 1,6 μήνες. Ο καθαρός αντίκτυπος είναι ένα προφίλ κινδύνου που δεν είναι-μονότονο. Πολύ λεπτή θήκη (<1.0 mm) develop cracks quickly yet have little material to penetrate. Very thick sheaths (above 2.0 mm) break more slowly, but take longer to perforate. Intermediate thicknesses 1.2–1.6 mm are the highest risk category, because they start at moderate rates, but have enough wall thickness to conceal developing cracks for a long time before abrupt failure.

316 Όρια θερμοκρασίας και συγκέντρωσης χλωρίου περιβλημάτων
316 stainless steel is not susceptible to stress corrosion cracking in chloride solutions below 60°C. Cracking will only occur in concentrated chlorides >1.000 ppm και ισχυρές καταπονήσεις εφελκυσμού μεταξύ 60 μοιρών και 80 μοιρών. Σε μέτρια επίπεδα χλωρίου 100-500 ppm ο κίνδυνος γίνεται σοβαρός μεταξύ 80 μοιρών και 120 βαθμών . 316 δεν είναι κατάλληλο για κανένα περιβάλλον χλωρίου με εφελκυστική τάση, ανεξάρτητα από το πάχος του τοιχώματος, σε θερμοκρασίες άνω των 120 βαθμών. Σε αυτές τις θερμοκρασίες υψηλού κινδύνου όπου χρησιμοποιούνται καλύμματα θερμαντήρα, η πρακτική απόκριση μηχανικής είναι είτε η μείωση της συγκέντρωσης χλωρίου κάτω από 10 ppm, είτε η εξάλειψη των τάσεων εφελκυσμού με πλήρη ανόπτηση μετά την κατασκευή ή η αναβάθμιση σε ένα πιο ανθεκτικό κράμα όπως το Incoloy 825 ή το τιτάνιο. Οι συστάσεις για πάχος τοιχώματος 316 περιβλημάτων σε υπηρεσία χλωρίου είναι οι εξής, με βάση τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση χλωρίου, με την προϋπόθεση ότι δεν μπορούν να εξαλειφθούν οι υπολειμματικές καταπονήσεις από την αιώρηση:

Θερμοκρασία λειτουργίας Συγκέντρωση χλωρίου Συνιστώμενη Ελάχιστο 316 Πάχος τοιχώματος θήκης Αναμενόμενη διάρκεια ζωής πριν από τον κίνδυνο διάβρωσης λόγω καταπόνησης Ρηγμάτωση Εναλλακτική σύσταση
60–80 μοίρες < 100 ppm 1,2 mm Χαμηλού κινδύνου, > 5 έτη 316 αποδεκτό 60–80 μοίρες 100–1.000 ppm 1,6 mm Μέτριος κίνδυνος, 2–4 χρόνια Παρακολούθηση ετησίως 60–80 μοίρες > 1.000 ppm 2,0 mm 2,0 mm υψηλού κινδύνου, 1–
80 - 100 βαθμός < 100 ppm 1,6 mm Μέτριος κίνδυνος, 2 - 3 χρόνια αναβάθμιση κράματος 80-100 μοίρες 100-500 ppm 2,0 mm Υψηλός κίνδυνος, 1-2 έτη Προτεινόμενη αναβάθμιση κράματος .
80-100oC > 500ppmΔεν συνιστάται Απρόβλεπτο,<1 yearUse titanium or Incoloy 825;
100-120 μοίρες οποιοδήποτε μετρήσιμο ClΔεν συνιστάται Πιθανή ταχεία αποτυχία Υποχρεωτική αναβάθμιση κράματος 120 μοίρες Οποιοδήποτε χλώριο Ακατάλληλο Επικείμενη αστοχία Αλλαγή προδιαγραφών υλικού
Αλλαγές σχεδίασης για να ελαχιστοποιηθεί ο κίνδυνος ρωγμών λόγω διάβρωσης λόγω πίεσης χωρίς προσθήκη πάχους τοιχώματος
Οι μηχανικοί θα πρέπει να εξετάσουν τρεις προσαρμογές σχεδιασμού που ελαχιστοποιούν τη συνιστώσα τάσης εφελκυσμού της εξίσωσης ρωγμής λόγω διάβρωσης τάσης πριν αποδεχτούν το κόστος θερμότητας ενός παχύτερου τοίχου. Το πρώτο και πιο σημαντικό είναι η πλήρης ανόπτηση του έτοιμου συγκροτήματος θερμαντήρα μετά από όλες τις διαδικασίες ταλάντωσης και κάμψης. Η ανόπτηση στους 1050 μοίρες ακολουθούμενη από γρήγορη ψύξη μειώνει τις υπολειπόμενες τάσεις κατά περίπου 80-90% με μικρή επίδραση στην αντοχή στη διάβρωση. Η ανταλλαγή-περιλαμβάνει μια πιθανότητα οξείδωσης του σύρματος εσωτερικής αντίστασης και επιπλέον κόστος παραγωγής. Η 2η αλλαγή είναι ο ορισμός των διαδικασιών αλλαγής χαμηλής-υπολειμματικής-καταπόνησης. Πολλαπλές ελαφριές διελεύσεις με ενδιάμεση ανακούφιση της τάσης έχουν ως αποτέλεσμα λιγότερες υπολειπόμενες καταπονήσεις από μια βαριά μείωση. Οι κατασκευαστές θερμαντήρων υψηλής αξιοπιστίας είναι γενικά σε θέση να επιτύχουν επιφανειακές υπολειμματικές τάσεις κάτω από 150 MPa ακόμη και σε περιβλήματα τοίχου 1,2 mm. Τρίτη τροποποίηση είναι ο σχεδιασμός του συστήματος ώστε να ελαχιστοποιούνται οι επιβαλλόμενες εφελκυστικές τάσεις. Ο σχεδιασμός για χαμηλή πίεση του συστήματος, οι εύκαμπτες ηλεκτρικές συνδέσεις και η αποφυγή της άκαμπτης εγκατάστασης που αποτρέπει τη θερμική διαστολή, όλα αυτά συμβάλλουν στη μείωση της συνολικής τάσης εφελκυσμού στο περίβλημα. Σε περιπτώσεις όπου χρησιμοποιούνται αυτές οι τροποποιήσεις, μια θήκη 1,2 mm 316 μπορεί να παρέχει επαρκή διάρκεια ζωής σε συνθήκες που θα καταστρέφουν μια θήκη 2,0 mm με υψηλές υπολειμματικές τάσεις.

Στρατηγικές Επιθεώρησης και Παρακολούθησης Υφιστάμενων Εγκαταστάσεων
Μόλις ένας θερμαντήρας είναι σε λειτουργία σε περιβάλλον θερμού χλωρίου, οι επιλογές πάχους τοιχώματος δεν μπορούν να τροποποιηθούν αναδρομικά. Αντίθετα, απαιτούνται συχνές επιθεωρήσεις για ρωγμές λόγω διάβρωσης λόγω καταπόνησης. Η δοκιμή διείσδυσης βαφής της επιφάνειας του περιβλήματος μπορεί να ανιχνεύσει ρωγμές που γεννιούνται πριν διαποτίσουν τον τοίχο. Για σέρβις χλωρίου 80 μοιρών, 500 ppm, περιβλήματα πάχους τοιχώματος 1,2–1,6 mm, συνιστάται η τριμηνιαία επιθεώρηση. Για παχύτερα περιβλήματα 2,0 mm και άνω, οι ημιετήσιοι-έλεγχοι μπορεί να είναι επαρκείς, καθώς ο αυξημένος χρόνος διάδοσης παρέχει περισσότερη προειδοποίηση. Η παρακολούθηση ακουστικών εκπομπών μπορεί να ανιχνεύσει τη δραστηριότητα ρωγμών σε πραγματικό χρόνο κατά τη λειτουργία, αν και αυτή η προσέγγιση εφαρμόζεται συνήθως σε κρίσιμες ή υψηλής αξίας εγκαταστάσεις. Ο βασικός προειδοποιητικός δείκτης είναι η ανάπτυξη λεπτών διακλαδιζόμενων καταγμάτων στην επιφάνεια του περιβλήματος, συνήθως ορατά μόνο με μεγέθυνση ή με τη χρήση διεισδυτικού βαφής. Εάν παρατηρηθούν ρωγμές, ο θερμαντήρας θα πρέπει να αντικατασταθεί γρήγορα ανεξάρτητα από το πόσο πάχος τοιχώματος παραμένει, καθώς ο ρυθμός διάδοσης μπορεί να επιταχυνθεί με απρόβλεπτο τρόπο.

Συμπέρασμα: Ενημερωμένη προδιαγραφή πάχους τοιχώματος για έλεγχο ρωγμών από διάβρωση καταπόνησης
Το πάχος του τοίχου δεν είναι μέτρηση ανθεκτικότητας, αλλά εργαλείο διαχείρισης κινδύνου για μηχανικούς που επιλέγουν 316 θήκες από ανοξείδωτο χάλυβα για ηλεκτρικούς θερμαντήρες εμβάπτισης σε περιβάλλοντα με υψηλή περιεκτικότητα σε χλωριούχο άλας. Τα παχύτερα τοιχώματα καθυστερούν το χρόνο διάδοσης της θραύσης, αλλά δεν εμποδίζουν την έναρξη της ρωγμής εάν οι υπολειπόμενες τάσεις είναι μεγάλες. Τα λεπτότερα τοιχώματα μπορεί να προκαλέσουν γρηγορότερο σχηματισμό ρωγμών, αλλά να τρυπήσουν νωρίτερα, προσφέροντας λιγότερη κρυφή υποβάθμιση. Ο καλύτερος τρόπος για να αποφευχθεί η διάβρωση λόγω καταπόνησης είναι να αποφύγετε τις συνθήκες κάτω από τις οποίες μπορεί να συμβεί – δηλαδή να διατηρήσετε τις θερμοκρασίες κάτω από 60 o C, τα χλωρίδια κάτω από 100 ppm ή τις υπολειπόμενες παραμορφώσεις κάτω από 100 MPa. Σε περίπτωση εφαρμογής αυτές οι συνθήκες είναι αναπόφευκτες, τότε ο βέλτιστος συμβιβασμός της έναρξης θραύσης και του περιθωρίου διάδοσης της ρωγμής παρέχεται από ένα πάχος τοιχώματος 1,6-2,0 mm με πλήρη ανόπτηση. Εάν τα επίπεδα χλωρίου υπερβαίνουν τα 1.000 ppm ή εάν οι θερμοκρασίες υπερβαίνουν τους 100 βαθμούς, η μόνη κατάλληλη συμβουλή μηχανικής είναι να επιλέξετε ένα διαφορετικό κράμα περιβλήματος. Το κόστος της αναβάθμισης σε Incoloy 825 ή τιτάνιο είναι ελάχιστο σε σύγκριση με το κόστος μιας απρόβλεπτης βλάβης του θερμαντήρα που οδηγεί σε μόλυνση μιας παρτίδας προϊόντος, απώλεια γραμμής διεργασίας ή κίνδυνο ασφάλειας από εκτεθειμένα ηλεκτροφόρα εξαρτήματα σε επαφή με αγώγιμα διαλύματα χλωρίου.