Как дебелината на стената на обвивката от неръждаема стомана 316 влияе върху разпределението на остатъчното напрежение след щанцоване и неговия ефект върху живота на корозионна умора в морска среда?

Умората от корозия е особено агресивен механизъм за повреда на електрическите потопяеми нагреватели, определени от морските инженери за офшорни платформи, корабни системи и крайбрежни промишлени инсталации, когато се комбинират циклично механично натоварване и хлоридна корозия. Умората от корозия води до образуване на пукнатини при много по-ниски амплитуди на напрежение и по-кратък живот на цикъла, отколкото чистата умора във въздуха или чистата корозия в статични настройки. Остатъчните напрежения, генерирани от прегъване (което уплътнява изолацията от магнезиев оксид около съпротивителния проводник), взаимодействат с работните напрежения и или ускоряват, или забавят образуването на пукнатини в зависимост от техния знак и големина. Тази статия определя количествено ефекта от дебелината на стената на обвивката върху разпределението на остатъчното напрежение след щанцоване и ефекта от тези остатъчни напрежения върху живота на умора от корозия в морска среда.

Генериране на остатъчно напрежение при щанцоването на 316 обвивки
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 amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1,8 mm) силата на огъване се абсорбира най-вече във външните слоеве и големи напрежения на натиск се създават само близо до външната повърхност, като вътрешните слоеве са относително незасегнати. Напреженията на опън на вътрешната повърхност също са намалени поради по-малко пълното уплътняване на MgO. Рентгеновите дифракционни изследвания на остатъчното напрежение в щамповани 316 обвивки потвърждават тази корелация. За обвивка на стена от 0,9 mm повърхностното напрежение на натиск беше -280 MPa. Обвивка на стена от 1,5 mm беше -180 MPa. 2.0 mm обвивка на стена показа само -120 MPa. По-тънката обвивка има по-благоприятно напрежение на натиск върху външната повърхност, където обикновено се образуват пукнатини от корозионна умора.

Роля на остатъчното напрежение на натиск при забавяне на образуването на пукнатини от корозионна умора
Цикличното напрежение на опън и корозивният електролит, съдържащ хлориди, причиняват счупване от умора на корозия в неръждаема стомана 316. Пукнатината започва от повърхностна яма или включване, където пасивното защитно покритие е повредено. Ако на повърхността е налице състояние на остатъчен натиск, приложеното циклично напрежение на опън трябва да преодолее това натиск, за да се получи нетно напрежение на върха на пукнатината. Това значително повишава нивото на напрежение, необходимо за иницииране на пукнатина. Ако остатъчната компресия на повърхността е -280 MPa, а приложеното циклично напрежение е +200 MPa, тогава нето на повърхността е -80 MPa. Това все още е натиск и не може да инициира пукнатина от умора. Нетно напрежение съществува само ако цикличното напрежение е над +280 MPa. За сравнение, обвивка от 2,0 mm, която има само -120 MPa повърхностна компресия, е в нетно напрежение, когато приложеното напрежение е по-голямо от +120 MPa, много по-нисък праг. Тестовете за устойчивост на корозия в синтетична морска вода при 60°C потвърждават този ефект. Проби с дебелина на стената от 0,9 mm и значителна остатъчна компресия издържаха 10 милиона цикъла при 250 MPa приложено променливо напрежение без начало на пукнатини. При същото приложено натоварване, проби с малка остатъчна компресия и дебелина на стената от 2,0 mm се развалиха след 2 милиона цикъла. По-тънката обвивка дава пет пъти по-дълъг живот на умора от корозия въпреки намалената абсолютна дебелина на стената.

Компромис-между ползата от остатъчното напрежение и маржа на дебелината на стената
Тънкостенните обвивки имат предимството по отношение на корозионната умора, но това трябва да се балансира спрямо долната граница на материала, ако започне пукнатина. Обвивка от 0,9 mm със значителна остатъчна компресия може да издържи образуването на пукнатини в продължение на милиони цикли. Всяка пукнатина обаче, която е преодоляла полето на остатъчно напрежение, или чрез голяма повърхностна яма, или преходно претоварване, има само 0,9 mm материал за разпространение преди перфорацията. Обвивка от 2,0 mm с по-малка остатъчна компресия може да предизвика пукнатина за по-малко цикли, но пукнатината трябва да се разпространи 2,0 mm, за да доведе до повреда. Общ живот до повреда=Начален живот + Живот на разпространение Изпитването за умора на корозия в солена вода при 60°C в апарат с въртяща се греда дава следните общи цикли до повреда за 10 mm външен диаметър 316 обвивки при 200 MPa променливо напрежение. Обвивка от 0,8 mm постигна общо 12 милиона цикъла, 11,5 милиона за започване и 0,5 милиона за разпространение. Обвивката от 1,2 mm издържа на 8 милиона цикъла, 7 милиона за започване и 1 милион за разпространение. Обвивката от 1,6 mm издържа 5 милиона цикъла (3 милиона за започване и 2 милиона за разпространение). Обвивката от 2,0 mm работи за 3,5 милиона цикъла, от които 1,5 милиона са за започване и 2 милиона за разпространение. Тънкостенната-обвивка има най-високата остатъчна компресия и най-дълъг общ живот, въпреки че границата на разпространение е малка.

Матрица за избор на живот на умората от корозия в морската среда
Следващата таблица показва препоръчителните 316 дебелини на стените на обвивката за електрически потопяеми нагреватели в морската експлоатация в зависимост от очакваната амплитуда на циклично напрежение и необходимия експлоатационен живот. Стойностите са за продължително излагане на морска вода или солена вода при 30–60°C, както и за нормални техники на щамповане без отгряване след щамповане.

Очаквана амплитуда на циклично напрежение Необходим експлоатационен живот Препоръчителен 316 Дебелина на стената на обвивката Доминиращ режим на отказ Обосновка на дизайна
Ниска, под 50 MPa Над 10 години 1,2 – 1,6 mm Корозия в пукнатини Дебелина, обусловена от допускането на корозия, ползата от остатъчното напрежение е по-малко значима
Умерено, 50 – 150 MPa 5 – 10 години 1,0 – 1,2 mm Начало на корозионна умора Тънката стена дава висока остатъчна компресия за предотвратяване на напукване
Умерено, 50 до 150 Mpa 10 години или повече 1,4 – 1,6 mm с последващо отгряване на щампования Разпространение от началото Отгряването намалява предимството от остатъчното напрежение; използвайте граница на дебелината
Висока, 150 – 250 MPa 3 – 5 години 0,8 – 1,0 mm Начало на корозионна умора Приемам кратък експлоатационен живот, максималната остатъчна компресия е от съществено значение
High, 150 – 250 MPa>5 години316 Не е възможно Претоварване или бързо напукване Заменете с Incoloy 825 или титан
Променлив с много надценки Всякакъв експлоатационен живот 1,6 – 2,0 mm Проп. след неочакван crackThickness марж предпазва от непредвидени събития
В приложения, при които цикличните напрежения се предизвикват от вибрации, циклично термично разширение или промени в налягането, е важно да можете да измервате или оценявате амплитудата на напрежението. При липса на измерване, умерено ниво на напрежение от 100 MPa е разумно по подразбиране. В тези случаи дебелината на стената от 1,2 mm дава оптималния компромис между предимството на остатъчното напрежение и границата за разпространение. Инженерите трябва също така да обмислят препоръчването на отгряване след-натискане за обвивки с дебели-стени, използвани в приложения с висок-цикл. Отгряването при 1050 градуса премахва напълно остатъчните напрежения и по този начин ползата от корозионната умора на тънките стени, но също така и остатъчните напрежения на опън на вътрешната повърхност, които могат да доведат до разпространение на счупване. Загрята 1,6 mm обвивка има подобен общ живот на умора на не-загрята 1,2 mm обвивка, предлагайки алтернативен подход за постигане на дълъг експлоатационен живот, без да се разчита на тънки стени. Изборът на тънки стени с високо остатъчно напрежение или дебели стени с отгряване зависи от производствените възможности и цената. За повечето морски приложения, където вибрациите са налице, но не са силни, нормалното щанцоване ще предложи надеждни характеристики на корозионна умора без допълнителна обработка, ако дебелината на стената е в диапазона от 1,2 до 1,4 mm.