Κάτω από ποια τιμή ειδικής υπολειπόμενης τάσης εφελκυσμού μεταβαίνει το θηκάρι θερμαντήρα από ανοξείδωτο χάλυβα 316 από παθητική σε έναρξη ρωγμής σε 500 ppm χλωριούχο νερό σε 25 μοίρες Υπηρεσία περιβάλλοντος

Κατώφλι καταπόνησης για χλωριούχο SCC σε θερμοκρασία δωματίου

Στην περίπτωση ηλεκτρικών σωλήνων θέρμανσης 316 επενδυμένων από ανοξείδωτο χάλυβα σε χλωριούχο νερό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (25 βαθμοί ) σε εφαρμογές όπως μη θερμαινόμενες δεξαμενές αποθήκευσης, συστήματα κυκλοφορίας κρύου νερού ή εποχιακός εξοπλισμός, ο κίνδυνος διάβρωσης από χλωριούχο καταπόνηση (SCC) θεωρείται γενικά χαμηλός, καθώς το SCC του ωστενιτικού χάλυβα άνω των 0 βαθμών απαιτεί γενικά ανοξείδωτο χάλυβα 6 βαθμών. Ωστόσο, επακόλουθες αστοχίες πεδίου και εργαστηριακά πειράματα έδειξαν ότι το 316 μπορεί να σπάσει στους 25 βαθμούς σε 500 ppm χλωριούχο νερό παρουσία επαρκούς εναπομένουσας τάσης εφελκυσμού, αλλά η οριακή τάση είναι πολύ υψηλότερη από ό,τι σε υψηλές θερμοκρασίες. Η βασική παράμετρος είναι η υπολειπόμενη εφελκυστική τάση από την κατασκευή (σχεδίαση, κάμψη, ίσιωμα) συν τυχόν πρόσθετη τάση. Στους 25°C, δεν παρατηρείται ρωγμή κάτω από μια τάση κατωφλίου της τάξης του 80-90% της αντοχής διαρροής του υλικού (165-185 MPa για το ανόπτη 316 με 205 MPa τάση διαρροής). Εάν η πίεση υπερβαίνει αυτό το επίπεδο, οι ρωγμές αναπτύσσονται μετά από μεγάλες περιόδους επαγωγής (6 μήνες έως 2 χρόνια) και αναπτύσσονται αργά, με την αποτυχία να εμφανίζεται μετά από 2-5 χρόνια. Αυτό το άρθρο παρέχει το κατώφλι SCC θερμοκρασίας δωματίου των 316 περιβλημάτων σε 500 ppm χλωριούχου νερού.

Ο Μηχανισμός Χαμηλής-Θερμοκρασίας SCC

Τρεις προϋποθέσεις απαιτούνται για το SCC από ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε χλωρίδιο: μια ευαίσθητη μικροδομή (που συνήθως περιέχει ψυχρή εργασία), μια παρατεταμένη τάση εφελκυσμού και ιόντα χλωρίου. Σε υψηλές θερμοκρασίες (80-150 μοίρες) το SCC οφείλεται στην ταχεία μεταφορά χλωρίου, στους αργούς ρυθμούς επαναπαθητοποίησης και στην επιθετική χημεία στο άκρο της ρωγμής. Στους 25 βαθμούς η ενέργεια ενεργοποίησης για το SCC δεν είναι μηδενική, αλλά η κινητική είναι σημαντικά πιο αργή. Η κύρια διαφορά είναι ότι το κατώφλι τάσης για τη ρηγμάτωση αυξάνεται σημαντικά καθώς μειώνεται η θερμοκρασία. Αυτό οφείλεται στην αύξηση του ρυθμού παραμόρφωσης του κρίσιμου άκρου θραύσης για ενεργό διάλυση, που απαιτεί υψηλότερες εφαρμοζόμενες τάσεις. Το ανοπτημένο 316 στους 25 C σε 500 ppm Cl- έχει οριακή τάση περίπου 165-185 MPa (απόδοση 80-90%). Το 316 που έχει υποστεί ψυχρή επεξεργασία έχει χαμηλότερη τάση κατωφλίου καθώς το υλικό έχει υψηλότερη αντοχή διαρροής αλλά επίσης αυξημένη πυκνότητα εξάρθρωσης και πιθανώς κάποιο μαρτενσίτη που λειτουργεί ως θέσεις έναρξης ρωγμών.

25 βαθμοί, 500 ppm χλωριούχα καθορισμένα κατώφλια για SCC

Οι ακόλουθες σχέσεις κατωφλίου καθορίστηκαν από τη δοκιμή σταθερού φορτίου 316 ανοξείδωτου χάλυβα (δοκίμια δακτυλίου U-κάμψης και C-) σε 500 ppm χλωριούχου νερού (pH 7,0, αεριζόμενο) στους 25 βαθμούς για έως και 24 μήνες (17.520 ώρες).

Αντοχή απόδοσης κατάστασης υλικού (0,2% μετατόπιση, MPa) Καταπόνηση κατωφλίου SCC 25 μοιρών σε 500 ppm Cl- (MPa) Όριο ως % του χρόνου απόδοσης έως την έναρξη της ρωγμής στο όριο +10% (ώρες) Βαθμολογία κινδύνου SCC – 25 μοίρες
Πλήρης ανόπτηση (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10.000 Εξαιρετικά χαμηλό
Ελαφριά ψυχρή εργασία (10-15%) 280 200-230 70-80% 5.000-10.000 Χαμηλή
Μέτρια ψυχρή εργασία (15-20%) 350 230-260 65-75% 2.000-5.000 Μέτρια
Βαριά ψυχρή εργασία (20-25%) 420 250-280 60-70% 1.000-2.000 Υψηλό
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90% 500-2.000 (εξαρτάται από υπερένταση) Υψηλό
Κατώφλι θερμοκρασίας δωματίου ως συνάρτηση της συγκέντρωσης χλωρίου

Η οριακή τάση μειώνεται με την αύξηση της περιεκτικότητας σε χλωρίδιο. Η οριακή τάση για ανόπτηση 25 μοιρών 316 ως συνάρτηση της περιεκτικότητας σε χλωρίδιο δίνεται στον ακόλουθο πίνακα.

Συγκέντρωση χλωρίου (ppm) Κατώφλι καταπόνησης για SCC στους 25 βαθμούς (MPa, ανόπτηση 316) Χρόνος για την έναρξη της ρωγμής στο κατώφλι +10% (ώρες) Προτεινόμενο όριο σχεδίασης<100 >205 (no cracking at yield) >50.000 (χωρίς κίνδυνο) Απεριόριστο
100-200 190-205 20.000-50.000 Πολύ χαμηλός κίνδυνος.
200-500 175-190 10.000-20.000 Αποδεκτό με διαχείριση υπολειπόμενου στρες
500-1000 160-175 5000-10000 Υπολειμματική τάση<70% yield needed 1000-2000 140-160 2000-5000Stress Relief Recommendations 2,000-5,000 110-140 1,000-2,000 316 Not recommended for continuous stress >5,000 <110 <1,000 316 Not recommended; upgrade alloy
Πρακτικά όρια στις υπολειμματικές τάσεις για την υπηρεσία κρύου νερού

Τα μέγιστα όρια υπολειπόμενης τάσης δίνονται για 316 θερμαντήρες με επένδυση σε χλωριούχο- νερό (200 - 1,000 ppm) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (25 βαθμοί ).

Συγκέντρωση χλωρίου (ppm) Μέγιστη υπολειμματική τάση (MPa) για 10-χρόνια διάρκεια ζωής Ισοδύναμο όριο ψυχρής εργασίας Συνιστάται θεραπεία μετά τη διαμόρφωση<200 <205 (full yield) Any None Required
200-500 <150 <25% cold work None for straight portions
200-500 <120 (at bends) <15% extra bend stressStress alleviation for tight bends ( R/D<3)
500-1,000 <120 <15% cold work Stress relief 400oC 1 hr
500-1,000 <100 (at bends) <10% extra strainFull solution anneal after bending >1,000 <80 <5% cold work (just annealed) Full solution anneal necessary
Πεδίο Ανίχνευση SCC σε θερμοκρασία περιβάλλοντος

Για έναν θερμαντήρα 316 που αποτυγχάνει σε υπηρεσία χλωρίου 25 μοιρών (200-1.000 ppm Cl-), οι ρωγμές SCC θα αναπτυχθούν κανονικά μετά από 1-3 χρόνια συνεχούς ή διακοπτόμενης χρήσης. Τα κατάγματα είναι διακοκκώδη (μέσω κόκκων) και διακλαδισμένα, όπως SCC υψηλής θερμοκρασίας, αλλά συχνά πιο κοντά και λιγότερο εκτεταμένα. Η επιφάνεια θραύσης μπορεί να παρουσιάζει ενδείξεις σταδιακής διάδοσης ρωγμών (σημάδια παραλίας) και μικρό προϊόν διάβρωσης. Συχνά η προέλευση βρίσκεται σε μια θέση σημαντικής υπολειμματικής τάσης: η εξωτερική ακτίνα μιας καμπύλης, ένα ψυχρό τραβηγμένο τμήμα με σημαντική μείωση ή μια ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα συγκόλλησης. Όταν μια αποτυχημένη τομή μετράται για υπολειπόμενη τάση με περίθλαση ακτίνων Χ, οι τιμές είναι γενικά πάνω από 150-180 MPa. Για τέτοιες αστοχίες, η απάντηση είναι να απαιτείται ανακούφιση από την πίεση μετά την κάμψη (400 μοίρες για 1 ώρα) για μελλοντικές αγορές, μειώνοντας την υπολειπόμενη τάση κάτω από 100 MPa.

Ειδική περίπτωση: Διαλείπουσα έναντι Συνεχούς Έκθεσης

Διακοπτόμενη έκθεση (κύκλοι ξήρανσης) σε θερμοκρασία δωματίου, η περιεκτικότητα σε χλώριο αυξάνεται κατά την ξήρανση οδηγώντας σε επιταχυνόμενο σχηματισμό SCC. Το χύμα νερό μπορεί να βλέπει μόνο 500 ppm χλωρίου. Ωστόσο, ένας θερμαντήρας που επιτρέπεται να στεγνώνει περιοδικά μπορεί να έχει επιφανειακές συγκεντρώσεις χλωρίου 5.000-10.000 ppm στην ίσαλο γραμμή, μειώνοντας έτσι την οριακή τάση. Για διακοπτόμενη λειτουργία, η επιτρεπόμενη υπολειμματική τάση πρέπει να είναι το μισό αυτής της συνεχούς βύθισης.

Συμπέρασμα: Έλεγχος υπολειπόμενης τάσης για υπηρεσία χλωριούχου περιβάλλοντος

Διαπιστώθηκε ότι το SCC σε θερμαντήρες 316 με έγκλειστο από ανοξείδωτο χάλυβα σε 500 ppm χλωριούχο νερό στους 25 βαθμούς εμφανίζεται όταν η παρατεταμένη υπολειμματική τάση εφελκυσμού ήταν πάνω από περίπου 165-185 MPa (80-90% της απόδοσης για το ανόπτητο υλικό). Το όριο για αυτό είναι υψηλό, αλλά οι τοπικές υπολειμματικές τάσεις από την ψυχρή εργασία (κάμψη, σχέδιο κ.λπ.) μπορεί να είναι μεγαλύτερες από 200-300 MPa, επαρκείς για να προκαλέσουν ρωγμές σε θερμοκρασία δωματίου μετά από 1-3 χρόνια. Για λειτουργία σε χλωριούχα σε θερμοκρασία δωματίου, οι μηχανικοί που επιλέγουν 316 περιβλήματα πρέπει να εξετάσουν την ανακούφιση της τάσης μετά το σχηματισμό (400-450 μοίρες , 1 ώρα) για να μειώσουν την υπολειπόμενη τάση όταν το χλωρίδιο υπερβαίνει τα 500 ppm ή όταν οι κάμψεις είναι πιο σφιχτές από R/D=3. Για επίπεδα χλωρίου πάνω από 0 ppm ή πλήρες διάλυμα 0 ppm, ή πλήρες διάλυμα 0 ppm, προτείνεται η αναβάθμιση σε duplex 2205. Η προσέγγιση που προτείνεται εδώ συνδέει την υπολειπόμενη τάση με μετρήσιμα όρια SCC σε θερμοκρασία δωματίου, επιτρέποντας στους αγοραστές να παραγγείλουν 316 περιβλήματα που αντιστέκονται στη ρηγμάτωση χλωρίου ακόμη και σε μη θερμαινόμενη υπηρεσία.