Kako postotak zaostalog izduženja iz ispitivanja vlačne čvrstoće cijevi od plašta od nehrđajućeg čelika 316 korelira s mogućnošću oblikovanja i otpornošću na pucanje od korozije tijekom grijača

Parametar duktilnosti: Kontrola mogućnosti izrade i životnog vijeka

Postotak zaostalog istezanja izmjeren u standardnom vlačnom testu (postotak istezanja nakon loma) cijevi od nehrđajućeg čelika 316 korištene za izradu obloženih električnih grijaćih elemenata ključni je pokazatelj dvaju naizgled nepovezanih atributa performansi. Veće vrijednosti istezanja (obično 40-50 % za potpuno žareni 316) u -primljenom stanju ukazuju na dobru sposobnost oblikovanja i sposobnost savijanja u malim radijusima bez loma ili pretjeranog povratnog povrata. Međutim, iste mikrostrukturne karakteristike koje pokreću brzo izduživanje-velikih zrna austenita s jednakom osi s niskom gustoćom dislokacija-također povećavaju osjetljivost na pucanje od korozije pod naponom (SCC) u uvjetima vrućeg klorida. S druge strane, cijevi umjerenog istezanja (25 do 35 posto od djelomičnog hladnog rada) imaju bolju otpornost na SCC, ali su sklone pucanju tijekom operacija savijanja. Ovaj rad pruža kvantitativno razumijevanje odnosa između postotka istezanja na rastezanje, ograničenja mogućnosti oblikovanja savijanjem i -otpornosti na SCC tijekom rada i predlaže okvir specifikacije za uravnoteženje proizvodnog prinosa s dugoročnom pouzdanošću.

Metalurška osnova obrnutog odnosa između duktilnosti i otpornosti na SCC

% istezanja nehrđajućeg čelika 316 kontrolira se uglavnom veličinom zrna i gustoćom dislokacija. Potpuno žarene cijevi (otopina žarena na 1040–1100 stupnjeva nakon čega slijedi brzo kaljenje) ima prosječnu veličinu zrna od ASTM 6–8 (30–50 µm), nisku gustoću dislokacija (10⁸–10⁹ cm⁻²) i vrijednosti istezanja od 45–55 % u tipičnim uzdužnim vlačnim ispitivanjima. Ova visoka duktilnost omogućuje savijanje cijevi do uskih radijusa (omjeri R/D samo 1,5) bez pucanja budući da zrnca mogu kliziti i rotirati se kako bi zadovoljila plastičnu deformaciju. Međutim, velika zrna i jasne granice zrna nude neprekidne puteve za širenje SCC-a. U postavkama grijanog klorida (60-100 stupnjeva, 500-2000 ppm Cl⁻) pukotine nukleiraju na stupnjevima klizanja na površini i šire se transgranularno duž kristalografskih ravnina. U krupnozrnatim strukturama pukotina može doseći 100-200 µm prije nego što naiđe na zrnatu barijeru koja je može skrenuti ili zaustaviti. Mala količina prethodne hladne obrade (10-20% redukcije, što rezultira vrijednostima istezanja od 25-35%) rezultira značajnom gustoćom dislokacija i proizvodnjom deformacijskih traka i martenzita izazvanih deformacijama. Ove karakteristike djeluju kao prepreke širenju loma stvarajući vijugave rute i mijenjajući stanje naprezanja na vrhu pukotine. Otpornost na SCC poboljšana je 3-5 puta prema vremenu do kvara u ispitivanju kipućeg magnezijevog klorida. Međutim, isti hladni rad također smanjuje preostalu sposobnost oblikovanja za savijanje. Cijev s istezanjem od 25 % obično se može saviti na omjer R/D od samo 2,5-3,0 prije nego što dođe do površinskih pukotina, u usporedbi s 1,5-2,0 za potpuno žareni materijal.

Kvantifikacija granica sposobnosti oblikovanja savijanjem u ovisnosti o produljenju

Minimalni radijus savijanja za cijevi od nehrđajućeg čelika 316 bez loma usko je povezan s ravnomjernim istezanjem materijala. Jednoliko istezanje je deformacija pri kojoj počinje grlo. Za određeni postotak izduženja (e) minimalni radijus savijanja R min u odnosu na vanjski promjer cijevi D je oko R min /D=(50/e) - 0.5 za uobičajene promjere cijevi. Ovaj empirijski odnos, temeljen na podacima ispitivanja savijanja za 10 do 20 mm OD cijevi, koristan je vodič za određivanje stanja cijevi u odnosu na željenu savijenu geometriju. Za grijač koji treba savijanje od 1,5 D (radijus 15 mm na cijevi od 10 mm) potrebno istezanje je oko 45-50 %, stoga je potrebna potpuno žarena cijev. Za 2,5D savijanje, potrebno istezanje je smanjeno na 28-33% dopuštajući upotrebu blago hladno-obrađene (četvrtine tvrde) cijevi. Za zavoje od 4D ili veće, dovoljno je istezanje od 20-25 % i mogu se koristiti polutvrde cijevi. Sljedeća tablica daje neke posebne informacije koje se odnose na potrebni omjer savijanja, minimalno rastezanje potrebno za formiranje bez pukotina i posljedice za otpornost na SCC tijekom rada.

Potreban omjer radijusa savijanja (R/D) Minimalno potrebno istezanje za izbjegavanje pucanja (%) Preporučeni uvjeti cijevi (tvrdoća/hladan rad Otpornost na vrući klorid SCC (u odnosu na potpuno -žareno) Maksimalni preporučeni klorid (ppm) na 90 stupnjeva Temperatura plašta 1,0-1,5 (iznimno čvrsto savijanje) 48-55 Potpuno žareno (80-90 HRB, 150-180 HV) Osnovna linija (1×)<300
1,5-2,0 (standardni U-zavoj) 40-48 Potpuno žareno ili lagano žareno Osnovno do 1,2×<400 2.0-2.5 33-40 Quarter-hard (88-95 HRB, 180-220 HV) 1.5-2× <800 2.5-3.0 28-33 Quarter-hard to half-hard (95-100 HRB, 220-250 HV) 2-3× <1500
3.0-4.0 22-28 Polu-tvrdo (100-105 HRB, 250-280 HV) 3-4×<25004.0 (sweep bend) 18-22 Half hard to full hard (105-110 HRB, 280-320 HV) 4-5× <4000
Praktični kompromis za proizvođače i specifikacije grijača

Za proizvođača grijača, potpuno žarena cijev je najbolji izbor za maksimiziranje proizvodnog prinosa, jer se uski zavoji mogu napraviti bez loma, a manje opruge znači manje učvršćenja. Međutim, grijač izrađen od potpuno žarenih cijevi od 316, čak i uz odgovarajuću kemijsku masu, može rano otkazati u vodi-koja sadrži klorid zbog SCC-ne zato što je materijal loš, već zato što je mikrostruktura visoke duktilnosti prirodno ranjivija. Za krajnjeg korisnika koji specificira grijač za poznatu kloridnu okolinu, optimalno rješenje je specificirati cijevi koje su blago hladno-obrađivane (15-20% redukcije, istezanje 25-35%) prije savijanja i odabrati radijus savijanja koji ovaj materijal može podnijeti. Ako je primjena 1,5D zavoj (npr. kompaktna U-cijev za mali spremnik), potpuno žarena cijev može biti jedina praktična opcija. Korisnik mora živjeti sa smanjenim životnim vijekom SCC-a ili nadograditi leguru na 316L ili 316Ti sa sličnom duktilnošću, ali boljom otpornošću na SCC zbog nižeg ugljika ili dodataka za stabilizaciju. Za nove dizajne, navođenje većeg radijusa savijanja (R/D veće od ili jednako 2,5) kad god je to praktično omogućilo bi korištenje četvrtine tvrdih cijevi koje imaju znatno bolju otpornost na SCC sa samo malim kompromisom u oblikovanju.

Metode validacije za dovoljno istezanje i kvalitetu savijanja

Buyers who specify 316 sheathed heaters have three verification techniques to assure the tubing utilised has the specified elongation for both the required bend geometry and the predicted service environment. The first is the tensile test report from the tubing supplier, showing % elongation (usually measured over 50 mm, or 2 inches) and yield strength. Elongation must be >40 % za savijanje R/D < 2,0 grijača. Za R/D između 2,0-3,0 istezanje bi trebalo biti veće ili jednako 30% Druga provjera je test savijanja uz vodstvo na uzorku stvarne cijevi nakon savijanja, ali prije sastavljanja u grijač. Ispitivanje je savijanje od 180 stupnjeva oko igle odgovarajućeg polumjera uz vizualno promatranje pri povećanju od 10x. Istezanje je nedovoljno za radijus savijanja ako postoje pukotine dulje od 0,5 mm. Treća provjera je ispitivanje tvrdoće gotovog grijača na vanjskom polumjeru savijanja. Ako je tvrdoća manja od 250 HV, cijev je bila odgovarajuće žarena prije savijanja; ako je veći od 320 HV, cijev je preopterećena u zavoju iz djelomično žarenog stanja i to će smanjiti duktilnost dok će povećati otpornost na SCC, ali prvo može uzrokovati brzo pucanje. Za rad u okruženjima gdje je SCC zabrinjavajući, EPR (elektrokemijska potenciokinetička reaktivacija) test na uzorku iz ravnog dijela gotovog grijača potvrđuje da materijal nije u potpunosti žaren, EPR vrijednost veća od 1,5 C/cm2 ukazuje na to da ostaje nešto hladnog rada, što je korisno za otpornost na SCC.

Toplinska obrada nakon-savijanja: Posebna razmatranja i učinci na produljenje

If a heater needs both tight radius bends (R/D < 2.0) and excellent SCC resistance for chloride service, then post-bend solution annealing offers a way to satisfy both criteria. The tube can be fully annealed for bending (elongation >45%), formed to the tight radius and then given a full solution anneal (1040-1100°C, water quench) which relieves bending stresses, recrystallises the grain structure and removes cold work. This treatment restores the elongation to >45 %, ali otpornost na SCC nije bolja od potpuno žarenog materijala-. Uska savijanja i visoka otpornost na SCC ne mogu se postići djelomičnim popuštanjem naprezanja nakon-savijanja na 400-500 stupnjeva budući da ne dolazi do rekristalizacije strukture zrna. Jedini način da se očuva rad na hladnom (a time i otpornost na SCC) nakon savijanja je napraviti savijanje s cijevi koja je već u hladnom stanju (npr. četvrt-tvrda s 30 % istezanja). Duktilnost četvrti-tvrde cijevi mora biti takva da će, ako je 2.0D savijanje potrebno, preživjeti 2.0D savijanje bez pucanja. Ako je R/D manji od 2,0, četvrtina tvrde cijevi obično će se slomiti, stoga dizajner mora prihvatiti veći R/D, ili koristiti potpuno žarenu cijev s manjom otpornošću na SCC, ili nadograditi na bolju leguru otpornu na SCC (duplex 2205) koja kombinira visoku čvrstoću s dobrom mogućnošću oblikovanja.

Zaključak: Definicija istezanja kao parametra kvalitete za dvije svrhe

Postotak istezanja iz vlačnog ispitivanja cijevi s plaštem od nehrđajućeg čelika 316 nije samo kriterij prihvatljivosti kvalitete, već i izravan pokazatelj minimalnog radijusa savijanja bez pucanja tijekom proizvodnje grijača i otpornosti na pucanje od korozije pod naponom u radu s vrućim kloridom. Potpuno žarena cijev (45-55% izduženja) nudi najbolju mogućnost oblikovanja sve do uskog radijusa savijanja R/D=1.5, ali najmanju otpornost na SCC. Hladno{14}}obrađene cijevi (25-35 % istezanja) pružaju poboljšanu otpornost na SCC, ali zahtijevaju duže radijuse savijanja (R/D > 2,5) kako bi se izbjeglo pucanje tijekom oblikovanja. Odabir produljenja cijevi određen je navedenom geometrijom zavoja i procijenjenom koncentracijom klorida. Inženjeri koji određuju obložene grijače za kloridna okruženja moraju uzeti u obzir oboje. Ako primjena zahtijeva i čvrsta savijanja i jaku otpornost na SCC, tada se mora ili povećati radijus savijanja, ažurirati legura na 316L ili dupleks ili smanjiti procijenjeni životni vijek. Kupci mogu odabrati 316 plašt cijevi koji pronalaze ravnotežu između mogućnosti izrade i dugoročne pouzdanosti u korozivnim okruženjima. Ovaj okvir povezuje vlačno istezanje s dualnošću mogućnosti oblikovanja i otpornosti na SCC.