Kako profil zaostalog naprezanja od ravnanja cijevi plašta grijača od nehrđajućeg čelika 316 mijenja prag za korozijsko pucanje pod naponom klorida

Nenamjerni izvor: Vlačno površinsko naprezanje od procesa ravnanja.

Ravnanje valjkom često je zadnji korak u procesu proizvodnje električnih grijaćih cijevi obloženih nehrđajućim čelikom 316 prije nego što se izrežu na određenu duljinu i savijaju. Ovaj postupak uklanja zakrivljenost iz-izvučene (ili kao-žarene) cijevi prolaskom kroz pomaknute valjke i uvodi komplicirani profil zaostalog naprezanja na površinu cijevi. Zaostala vlačna naprezanja od 50-200 MPa uvode se u vanjskih 50-150 µm stijenke plašta na strani napetosti svake kontaktne točke valjka za ravnanje. Ova zaostala vlačna naprezanja povećavaju primijenjeno obručno naprezanje toplinskom ekspanzijom i unutarnjim tlakom u okruženjima koja sadrže kloride na povišenoj temperaturi (iznad 60 stupnjeva) kako bi izazvala korozijsko pucanje (SCC) pri naprezanjima koja bi bila sigurna za materijal oslobođen naprezanja. Ovaj rad ocjenjuje korelaciju između zaostalog naprezanja uslijed ravnanja, razine klorida i vremena inicijacije SCC-a, te daje specifikacijska ograničenja za smanjenje naprezanja nakon ravnanja u korozivnoj uporabi.

Mehanizam površinskog naprezanja koji izaziva ispravljanje

Cijev od nehrđajućeg čelika se ravna valjkom prolaskom između niza pomaknutih valjaka koji plastično deformiraju cijev u alternativnim smjerovima. Vlačna naprezanja u vanjskim vlaknima cijevi općenito se kreću od 0,5 % do 2,0 %, ovisno o početnoj zakrivljenosti i pomaku valjka za ravnanje. Nametnuta vlačna plastična deformacija od 0,5 % u žarenom nehrđajućem čeliku 316, s granicom tečenja od otprilike 205 MPa, odgovara zaostalom naprezanju od 150–200 MPa (75–100 % granice tečenja). Raspodjela zaostalih naprezanja prilično je lokalizirana: najveća naprezanja vidljiva su u tankom površinskom sloju (dubine 20-100 µm) jer je deformacija ravnanja uglavnom elastična na jezgri cijevi, a plastična samo na površini. Pukotine nukleiraju na površini i rastu u skupno polje zaostalih naprezanja. Ovaj tanki visoko opterećeni sloj savršen je za inicijaciju SCC. Obično je smjer zaostalih naprezanja aksijalan (duž duljine cijevi) na površinama cijevi u kontaktu s valjcima, pri čemu su obodna naprezanja na rubovima kontakta valjaka. Aksijalna zaostala naprezanja posebno su problematična za plašt grijača jer su u istom smjeru kao i obručno naprezanje uzrokovano unutarnjim tlakom, a dva naprezanja ukupno čine neto vlačno naprezanje koje ubrzava razvoj loma.

Kvantificirano smanjenje SCC praga zbog naprezanja pri ravnanju

Sustavni testovi 316 cijevi u kipućem magnezijevom kloridu (154 stupnja, standardizirani SCC test) pokazuju da ispravljene cijevi bez rasterećenja nakon-ispravljanja otkazuju za 20-50 sati pod primijenjenim naprezanjem od 200 MPa. Ista cijev u stanju smanjenog naprezanja (preostalo naprezanje ispod 30 MPa) preživi preko 500 sati. U uvjetima rada primjenjivim na uronjene grijače - 90 stupnjeva vode s 1000 ppm klorida - rezultat je jednako značajan. 316 omotači s smanjenim naprezanjem otporni su na 1000 ppm klorida 5-8 godina bez SCC-a. Ispravljeni omotači s zaostalim površinskim naprezanjima većim od 150 MPa stvarat će lomove SCC unutar 12-24 mjeseca na istoj razini klorida. Plašti pod rasterećenjem trajat će zauvijek pri 500 ppm klorida. Ispravljene ovojnice će se razbiti za 3-5 godina. Presudna kombinacija praga za inicijaciju SCC-a bez primjene sila ravnanja je 60 stupnjeva i 300 ppm klorida. Iznad 80 stupnjeva, kombinacija bilo koje koncentracije klorida iznad 200 ppm s zaostalim naprezanjem pri ravnanju većim od 100 MPa u konačnici će dovesti do SCC-a. Donja tablica prikazuje vrijeme do inicijacije SCC-a kao funkciju zaostale površinske napetosti, koncentracije klorida i temperature.

Preostalo površinsko naprezanje od ravnanja (MPa) Koncentracija klorida (ppm) Temperatura plašta (stupnjevi) Vrijeme do SCC inicijacije pukotine (sati rada) Vrijeme do perforacije (stjenka od 1,5 mm) Preporučena radnja<30 (stress relieved) 1000 90 >70,000 (>8 years) >80 000 Prihvatljivo<30 (stress relieved) 2000 80 >50,000 >60 000 Prihvatljivo uz praćenje 50-100 (blago ravnanje) 500 90 20,000-30 000 (2,5-3,5 godine) 25 000-40 000 Marginalno; preporučuje se ublažavanje stresa
50-100 (blago ispravljanje) 1000 80 15,000-20 000 (1,7-2,3 godine) 18 000-25 000 Ne preporučuje se kontinuirana uporaba 100-150 (umjereno ispravljanje) 300 90 10,000-15 000 (1,1-1,7 godina) 12 000-18 000 Neprihvatljivo iznad 80 stupnjeva 100-150 (umjereno ispravljanje) 500 80 8,000-12,000 (0,9-1,4 godina) 10,000-15,000 Nije prihvatljivo
150-200 (jako ispravljanje) 200 90 3,000-6,000 (4-8 mjeseci) 4,000-8,000 Neprihvatljivo za bilo koji klorid
150-200 (Ozbiljno ispravljanje) 500 70 5,000-10,000 (7-14 mjeseci) 6,000-12,000 Zamijenite cijevima bez naprezanja
Detekcija i smanjenje zaostalog naprezanja od ravnanja

Kupci koji specificiraju 316 zatvorene grijače za upotrebu klorida imaju tri načina za provjeru statusa zaostalog naprezanja od ispravljanja. Prvi je ASTM G38 standardna praksa za proizvodnju U--savijenih uzoraka. Dio -primljene cijevi savijen je 180o preko trna i uronjen u kipući magnezijev klorid. Ako je do pucanja došlo unutar 100 sati, zaostala napetost od ispravljanja bila je dovoljna da izazove SCC bez primijenjenog naprezanja. Druga tehnika je detekcija zaostalog naprezanja na površini cijevi pomoću difrakcije X-zraka (XRD). Vrijednosti preko 100 MPa upućuju na to da se savjetuje smanjenje naprezanja nakon ravnanja. Treća i najlakša metoda je tzv.-"feroksilni test" (jetkanje bakrenim sulfatom-sumpornom kiselinom) koji pokazuje područja značajnog zaostalog naprezanja kao tamnije uzorke jetkanja. Zaostala naprezanja ispod 30 MPa za grijače namijenjene za rad iznad 70 stupnjeva s kloridima iznad 200 ppm dobivaju se žarenjem nakon-naprezanja na 400-500 stupnjeva tijekom 1-2 sata. Žarenje u punoj otopini (1040 stupnjeva) u potpunosti uklanja zaostale napetosti, ali može uzrokovati izobličenje cijevi i obično se navodi samo za kritične primjene. Kupci mogu trebati provjeru otpuštanja naprezanja od strane dobavljača cijevi nakon ravnanja (ili da ravnanje nije učinjeno na žarenoj cijevi) koja pruža provedivo osiguranje kvalitete.

Identifikacija u domeni SCC iz ostataka ravnanja

Uzrok ostataka ravnanja razlikuje se po obliku pukotina kada grijač pokvari SCC. Pukotine obično nastaju u ravnim dijelovima plašta, a ne u zavojima ili zavarima, od naprezanja stvorenih ravnanjem. Obično su uzdužni (tj. paralelni s osi cijevi) i mogu se pojaviti u nizu paralelnih linija razdvojenih 5-15 mm, što odgovara obrascu kontakta valjka. Prijelomi su transgranularni (prelaze granice zrna) za 316 u kloridnim okruženjima iznad 80 C pod povećanjem sa SCC tipičnim grananjem. Površina loma nije jako duktilna. Ako je pokvareni grijač iz serije koja nije smanjila naprezanje nakon ravnanja, a uvjeti rada uključuju kloride iznad 300 ppm na temperaturama iznad 70 stupnjeva, temeljni uzrok vjerojatno je sigurno zaostalo naprezanje generirano ispravljanjem. Sve preostale grijače treba ukloniti iz upotrebe ili modificirati s tretmanom za smanjenje naprezanja gdje je to moguće za takve instalacije.

Zaključci: Definicija kontrole zaostalog naprezanja za uslugu klorida

Profil zaostalog naprezanja uveden u cijevi od nehrđajućeg čelika 316 nakon ravnanja valjkom skrivena je varijabla koja može smanjiti prag kloridne SCC za faktor od 3 do 5. Vruća kloridna okruženja će popucati cijev s površinskim zaostalim naprezanjima iznad 100 MPa za 1-2 godine pod postavkama kada cijevi smanjenog naprezanja traju 5-10 godina. Za bilo koju uslugu koja uključuje kloride iznad 200 ppm i temperature iznad 70 stupnjeva, inženjeri koji specificiraju grijače s plaštom 316 moraju zahtijevati jedno od sljedećeg: smanjenje naprezanja nakon ravnanja (400-500 stupnjeva tijekom 1-2 sata) ili potvrdu da je cijev ispravljana u potpuno žarenom stanju s odmacima valjaka postavljenim za smanjenje zaostalog naprezanja. Predloženi okvir može se koristiti za sprječavanje ranih kvarova napuknuća, koji se obično pripisuju "kvaliteti materijala", ali su, zapravo, posljedica nekontroliranog zaostalog naprezanja povezanog s ravnanjem cijevi, povezujući proces ravnanja s mjerljivim vremenima inicijacije SCC.