При каква специфична стойност на остатъчното напрежение на опън се извършва преходът на нагревателната обвивка от неръждаема стомана 316 от пасивно към започване на пукнатини в 500 ppm хлоридна вода при 25 градуса на околната среда

Прагово напрежение за хлорид SCC при стайна температура

В случай на електрически нагревателни тръби с обвивка от неръждаема стомана 316 във вода, съдържаща хлорид, при температура на околната среда (25 градуса) в приложения като неотопляеми резервоари за съхранение, системи за циркулация на студена вода или сезонно оборудване, рискът от корозионно напукване при хлориден стрес (SCC) обикновено се счита за нисък, тъй като SCC на аустенитни неръждаеми стомани обикновено изисква над 60 градуса. Въпреки това, последващи повреди на място и лабораторни експерименти показаха, че 316 може да се напука при 25 градуса в 500 ppm хлоридна вода в присъствието на адекватно остатъчно напрежение на опън, но праговото напрежение е много по-високо, отколкото при повишени температури. Ключовият параметър е остатъчното напрежение на опън от производството (теглене, огъване, изправяне) плюс всяко добавено напрежение. При 25°C не се наблюдава напукване под прагово напрежение от порядъка на 80-90% от границата на провлачване на материала (165-185 MPa за отгрят 316 с 205 MPa граница на провлачане). Ако напрежението надвиши това ниво, пукнатини се развиват след дълги индукционни периоди (6 месеца до 2 години) и растат бавно, като повредата настъпва след 2-5 години. Тази статия предоставя SCC прага на стайна температура от 316 обвивки в 500 ppm хлоридна вода.

Механизмът на ниско-температурния SCC

Необходими са три условия за SCC от неръждаема стомана 316 в хлорид: податлива микроструктура (обикновено съдържаща известна студена обработка), продължително напрежение на опън и хлоридни йони. При високи температури (80-150 градуса) SCC се дължи на бърз транспорт на хлорид, бавни скорости на репасивация и агресивна химия на върха на пукнатината. При 25 градуса енергията на активиране за SCC не е нула, но кинетиката е значително по-бавна. Основната разлика е, че прагът на напрежение за напукване се увеличава значително с понижаване на температурата. Това се дължи на нарастването на критичната скорост на деформация на върха на фрактурата за активно разтваряне, което изисква по-високи приложени напрежения. Отгрят 316 при 25°C в 500 ppm Cl- има прагово напрежение от около 165-185 MPa (80-90% добив). Студено обработеният 316 има по-ниско прагово напрежение, тъй като материалът има по-висока граница на провлачване, но също така и повишена плътност на дислокация и вероятно малко мартензит, който действа като места за започване на пукнатини.

25 градуса, 500 ppm хлорид, определени прагове за SCC

Следните прагови зависимости бяха установени от изпитване на постоянно натоварване на неръждаема стомана 316 (образци U-bend и C-ring) в 500 ppm хлоридна вода (рН 7,0, аерирана) при 25 градуса за до 24 месеца (17 520 часа).

Състояние на материала Якост на провлачване (0,2% отместване, MPa) 25 градуса SCC Прагово напрежение в 500 ppm Cl- (MPa)Праг като % от времето на провлачване до започване на пукнатини при прага +10% (часа)SCC Рейтинг на риска – 25 градуса
Пълно закалено (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10 000 Изключително ниско
Лека студена работа (10-15%) 280 200-230 70-80% 5 000-10 000 Ниска
Умерена студена работа (15-20%) 350 230-260 65-75% 2000-5000 Умерена
Тежък студен труд (20-25%) 420 250-280 60-70% 1000-2000 Високо
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90% 500-2000 (зависи от пренапрежението) Висока
Праг на стайна температура като функция на концентрацията на хлорид

Праговото напрежение се намалява с увеличаване на съдържанието на хлорид. Праговото напрежение за 25 градуса закален 316 като функция от съдържанието на хлорид е дадено в следващата таблица.

Концентрация на хлорид (ppm) Прагово напрежение за SCC при 25 градуса (MPa, отгрято 316) Време за започване на пукнатини при праг +10% (часове) Препоръчителна проектна граница<100 >205 (no cracking at yield) >50 000 (без опасност) Неограничено
100-200 190-205 20,000-50,000 Много нисък риск.
200-500 175-190 10,000-20 000 Приемливо с управление на остатъчния стрес
500-1000 160-175 5000-10000 Остатъчно напрежение<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
Практически ограничения на остатъчните напрежения за студена вода

Дадени са максимални граници на остатъчно напрежение за нагреватели с обвивка 316 във вода, съдържаща хлорид- (200 - 1,000 ppm) при температура на околната среда (25 градуса).

Концентрация на хлорид (ppm) Максимално остатъчно напрежение (MPa) за 10-годишен живот Еквивалентна граница на студена работа Препоръчителна обработка след формоване<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
Откриване на място на SCC при температура на околната среда

За нагревател 316, повреден при работа с хлорид от 25 градуса (200-1000 ppm Cl-), SCC пукнатини обикновено ще се появят след 1-3 години непрекъсната или периодична употреба. Счупванията са трансгрануларни (чрез зърна) и разклонени, като високотемпературен SCC, но често по-къси и по-малко удължени. Повърхността на счупване може да показва индикации за постепенно разпространение на пукнатини (маркировки на плажа) и малко корозионни продукти. Често произходът е в място със значително остатъчно напрежение: външният радиус на крива, студено изтеглен участък със значително намаление или зона, засегната от топлината на заваръчния шев. Когато повреден участък се измерва за остатъчно напрежение чрез рентгенова дифракция, стойностите обикновено са над 150-180 MPa. За такива повреди отговорът е да се изисква облекчаване на напрежението след огъване (400 градуса за 1 час) за бъдещи покупки, като се намали остатъчното напрежение до под 100 MPa.

Специален случай: периодично срещу непрекъснато излагане

Периодично излагане (цикли на сушене) при стайна температура, съдържанието на хлорид се увеличава по време на сушене, което води до ускорено образуване на SCC. Масовата вода може да съдържа само 500 ppm хлорид. Въпреки това, нагревател, на който е разрешено да изсъхва периодично, може да има повърхностни концентрации на хлорид от 5 000-10 000 ppm при водолинията, като по този начин намалява праговото напрежение. За периодична експлоатация допустимото остатъчно напрежение трябва да бъде половината от това за непрекъснато потапяне.

Заключение: Контрол на остатъчното напрежение за обслужване с атмосферен хлорид

Установено е, че SCC в нагреватели с обвивка от неръждаема стомана 316 в 500 ppm хлоридна вода при 25 градуса възниква, когато продължителното остатъчно напрежение на опън е над около 165-185 MPa (80-90% от добива за закален материал). Прагът за това е висок, но локалните остатъчни напрежения от студена работа (огъване, изтегляне и т.н.) могат да бъдат по-големи от 200-300 MPa, достатъчни да причинят напукване при стайна температура след 1-3 години. За работа в хлориди при стайна температура, инженерите, които избират 316 обвивки, трябва да обмислят облекчаване на напрежението след формоване (400-450 градуса, 1 час), за да намалят остатъчното напрежение, когато хлоридът надвишава 500 ppm или когато завоите са по-здрави от R/D=3. За нива на хлорид над 1000 ppm при 25 градуса, отгряване в пълен разтвор или предлага се надграждане до дуплекс 2205. Подходът, предложен тук, свързва остатъчното напрежение с измеримите прагове на SCC при стайна температура, което позволява на купувачите да поръчат 316 обвивки, които са устойчиви на хлоридно напукване дори при работа без отопление.