Kako prosječni omjer širine i visine zrna nakon hladnog izvlačenja cijevi grijača 316 kontrolira anizotropiju otpora na udubljenje u morskoj vodi koja teče na 40 stupnjeva

Učinak usmjerene mikrostrukture na kinetiku rasta jamice

The cold drawing process used to manufacture electric heating tubes sheathed in 316 stainless steel for seawater service (such as marine heating systems, shipboard heaters, or coastal industrial process heaters) creates an elongated grain structure with a characteristic aspect ratio (grain length divided by grain width). In the as-drawn condition (before to annealing), the grains are often extended 3:1 to 10:1 along the tube axis. This grain shape anisotropy leads to anisotropic pitting behaviour, wherein pits propagating parallel to the tube axis (i.e. along the direction of grain elongation) hit fewer grain barriers per unit length and so propagate more rapidly than pits propagating circumferentially (i.e. across grain borders). 316 sheath with a high grain aspect ratio (>5:1) može proći kroz 2-3 godine u tekućoj morskoj vodi na 40 stupnjeva kada je protok paralelan s osi cijevi, međutim ista bi cijev trajala 5-7 godina kada se piting proširi preko izdužene zrnate strukture. U ovom radu kvantificiramo vezu između omjera dimenzija zrna, anizotropije udubljenja i vijeka trajanja u morskoj vodi.

Mehanizam zaustavljanja udubljenja granica zrna

Rupičasta korozija u nehrđajućem čeliku 316 prvenstveno počinje na nečistoćama mangan sulfida. Jamičasti rast nastavlja se anodnim slomom kad jednom započne. Kada se udubina susretne s granicom zrna, brzina otapanja općenito je smanjena, jer granica zrna ima drugačiju kristalografsku orijentaciju i vjerojatno drugačiji elektrokemijski potencijal. Kod zrna s jednakom osi (omjer širine i visine blizu 1:1) udubljenja se često susreću s granicama zrna i dubina udubljenja je ograničena. U izduženim zrnima (visoki omjer širine i visine) udubina koja se kreće duž duge osi zrna može prijeći 5-10 puta udaljenost prije nego što dosegne barijeru zrna, dopuštajući znatno dublje prodiranje prije zaustavljanja. U tekućoj morskoj vodi djelovanje je dodatno pojačano jer smicanje tekućine uklanja produkte korozije iz otvora jame, održavajući agresivnu lokalnu kemiju.

Kvantitativni odnos između omjera širine i visine zrna i jamičaste anizotropije

Brzine širenja jamica paralelno i okomito na smjer istezanja zrna određene su ubrzanim ispitivanjem pitinga hladno vučenih 316 cijevi (bez žarenja nakon izvlačenja) u sintetičkoj morskoj vodi (40 stupnjeva, 2 m/s brzina, 20 000 ppm klorida).

Omjer dimenzija zrna (duljina:širina) Prosječna brzina širenja udubljenja paralelno s osi (mm/god) Brzina širenja udubljenja okomito na os (mm/godina) Omjer anizotropije (paralelno/okomito) Vrijeme do perforacije (1,5 mm zid) – Paralelno vrijeme širenja do perforacije (1,5 mm zid) – okomito Razmnožavanje
1:1 (ekviaksiran, žaren) 0.20 0.20 1.0 7.5 godine 7,5 godina 2:1 0.25 0.20 1.25 6.0 godine 7,5 godine 3:1 0.32 0.18 1.8 4.7 godine 8,3 godine 4:1 0.40 0.16 2.5 3.8 godine 9,4 godine
5:1 0.50 0.15 3.3 3.0 godina 10,0 godina
6:1 0.60 0.14 4.3 2.5 godina 10,7 godina
7:1 0.70 0.13 5.4 2.1 godina 11,5 godina
8:1 0.82 0.12 6.8 1.8 godina 12,5 god
Učinak smjera protoka s obzirom na orijentaciju cijevi

Za grijač postavljen u cijev ili spremnik orijentacija najbržeg smjera širenja jame u odnosu na os cijevi ovisi o smjeru protoka. Najgori scenarij je kada je strujanje paralelno s osi cijevi i rupičasta pojava počinje na površini gdje su izdužena zrna orijentirana paralelno s debljinom stijenke (tj. jamica mora proći kroz stijenku duž duge osi zrna). Optimalna situacija je kada je protok normalan na os cijevi i jama mora prijeći granice zrna kako bi probila stijenku.

Smjer protoka prema osi cijevi Bazen Smjer širenja prema izduženju zrna Preporučena orijentacija ugradnje Efektivno vrijeme perforacije (godine, omjer širine i visine 5:1)
Paralelno (protok preko duljine cijevi) Paralelno (najgore) 3.0 Ne preporučuje se za cijevi visokog omjera širine i visine
Okomito (strujanje kroz cijev) Mješovito; uglavnom kroz žitarice 7-8 Preporučeno
45 stupnjeva Miješano 5-6 Prikladno
Nizak protok ili stagnacija (< 0.5 m/s)5-6 Acceptable Orientation less significant; diffusion controlled
Servis morske vode, Praktična specifikacija za

Preporučeni omjeri dimenzija zrna za 316 obložene grijače za morsku vodu ili aplikacije s visokim sadržajem klorida na temperaturama iznad 40 stupnjeva su sljedeći.

Uvjeti upotrebe Maksimalni preporučeni omjer širine i visine zrna Nakon-Potrebna toplinska obrada izvlačenja Prosječni život (godine)
Tekuća morska voda, okomito na cijev 4:1 Ublažavanje stresa (1 sat na 500 stupnjeva) 5-7
Tekuća morska voda, protok paralelan s cijevi 2:1 žarenje u punoj otopini (rekristalizirano) 5-7
Stagnacija ili morska voda slabog protoka 5:1 Nema (prikladno kao što je nacrtano) 4-6
Povremena ili niska temperatura (<30°C) 6:1 None 5-8
critical service, all orientations 1:1 (completely recrystallized) Full solution anneal (1040°C + quench) >10 Identifikacija polja anizotropnog pitinga

Morfologija jame za pokvareni grijač 316 u tekućoj morskoj vodi pokazuje učinak omjera širine i visine zrna. Izdužene jamice duž osi cijevi (umjesto okrugle) upućuju na to da su zrna izdužena i da je udubljenje prvenstveno napredovalo duž granica zrna paralelnih s osi. Uzdužni poprečni-presjek pokazuje put korozije nakon proširenih granica zrna pod mikroskopom. Rješenje je zatražiti potpunu prekristaliziranu (jednakih zrna) cijevi za buduće kupnje pružanjem potpunog žarenja otopine nakon svih postupaka crtanja. Rekristalizirane cijevi obično imaju 10-20% skuplji trošak, što je opravdano 2-3x produljenjem životnog vijeka u tekućoj morskoj vodi.

Zaključak: Zrna jednake osi za rad u morskoj vodi

The grain aspect ratio in cold drawing influences the pitting propagation anisotropy of 316 stainless steel encased heaters in flowing saltwater at 40°C. Pits propagating parallel to the tube axis with high aspect ratios (>5:1) mogu probiti stijenku za 2-3 godine, dok zrna s jednakom osi (omjer stranica 1:1) daju 7-8 godina života. U projektiranju 316 omotača za pomorsku ili obalnu primjenu, inženjeri bi trebali trebati žarenje konačne otopine za generiranje rekristaliziranih, jednakoosnih zrnaca. Tamo gdje se ne može postići potpuno žarenje (na primjer, dugi ili složeni sklopovi), treba postaviti maksimalni omjer širine i visine (manje ili jednako 3:1) i grijač montirati s protokom normalnim na os cijevi. Ovdje razvijeni okvir povezuje omjer širine i visine zrna s brzinama širenja anizotropnih jamica. To omogućuje kupcima da odaberu 316 cijevi s maksimalnom otpornošću na prodiranje rupa u tekućoj morskoj vodi.