Pod kojom specifičnom kombinacijom debljine stijenke i zaostalog naprezanja nakon savijanja 316L plašt grijača razvija odgođeno pucanje vodikom-za vrijeme prvog ciklusa zagrijavanja

Mehanizam unutarnjeg hvatanja vodika u hladno obrađenim plaštima

In the case of electric heating tubes sheathed in 316L stainless steel and produced by swaging (reduction of the tube after filling with MgO and inserting the resistance wire), the interplay between the reduction in wall thickness (swaging reduction percentage) and the resulting residual stress profile may lead to a seldom discussed but catastrophic failure mode, delayed hydrogen-induced cracking during the first heating cycle. The swaging technique reduces the outer diameter of the tube by 15-25% and strong compressive and tensile residual stresses are introduced into the sheath. Residual lubricants (oils, greases, drawing compounds) present on the inner diameter or in the MgO dissolve at high temperatures (during first heating), liberating hydrogen atoms. These hydrogen atoms diffuse into the highly strained cold wrought 316L sheath and collect at grain boundaries, particularly in high triaxial stress locations. However, if the combined effect of the wall thickness reduction (>18-20%) and residual stress (>200-300 MPa, >70-80% prinosa) premašuje prag pucanja omotača tijekom prvog ciklusa zagrijavanja (obično na 200-300 stupnjeva) prije nego što se postigne uobičajena radna temperatura. U ovom se radu izračunava ključna kombinacija smanjenja prešanja i zaostalog naprezanja za vodikovo pucanje u prvom ciklusu.

Mehanizam vodikovog krekiranja u prvom ciklusu

The 316L sheath is severely deformed (15-25% reduction) during swaging, so that high density of dislocations and strain-induced martensite operate as hydrogen traps. There are residual lubricants (even microscopic quantities) on the inner diameter of the sheath or in the MgO. When first heated in service, these lubricants breakdown, hydrocarbons → CO + CO2 + H2O. H2O interacts with iron giving atomic hydrogen (H). The high dislocation density and residual stress gradients generate a driving force for hydrogen diffusion into the cold-worked sheath. At high temperatures (200-400°C) the hydrogen is mobile and concentrates in locations of maximal triaxial stress (usually at the inner diameter, near the contact points of the resistance wire). If the local concentration of hydrogen surpasses a critical threshold (estimated >10-20 ppm), materijal je krt od vodika i pukotine se nukleiraju na unutarnjoj površini i rastu prema van. Do pucanja dolazi u početnom ciklusu grijanja, u nekim slučajevima prije nego što grijač postigne zadanu temperaturu.

Kvantificiranje odnosa između smanjenja naprezanja, zaostalog naprezanja i pojave pukotina

Kontrolirano laboratorijsko ispitivanje na 316L omotačima (10 mm OD, 1,5 mm završne stijenke) s različitim smanjenjem savijanja (početni OD cijevi u rasponu od 12-14 mm), mjerenje zaostalog naprezanja (X-difrakcija zraka) i zagrijavanje u prvom ciklusu do 400 stupnjeva u kontroliranoj atmosferi dovelo je do sljedećih pragova pucanja.

Smanjenje pritiska (%) Konačna debljina stjenke (mm) Preostalo naprezanje obruča na ID (MPa) Preostalo naprezanje kao % popuštanja (206 MPa) Učestalost pucanja vodika % Raspon temperature prvog ciklusa pucanja (stupnjevi) Preporučeno za rad koji zahtijeva prvu-toplinsku cjelovitost<12 >1.8 50-100 24-48% 0% Ništa Da
12-14 1.7-1.8 100-150 48-73% 0-5% 350-400 Da 14-16 1.6-1.7 150-200 73-97% 5-15% 300-380 Marginalno 16-18 1.5-1.6 200-250 97-121% 15-30% 250-350 Ne preporučuje se 18-20 1.4-1.5 250-300 121-146% 30-60% 200-350 Ne
20-22 1.3-1.4 300-350 146-170% 50-80% 200-300 No >22 <1.3 >350 >170% >80% 150-250 Br
Utjecaj vrste maziva i čišćenja na stvaranje vodika

Količina i vrsta ostatka maziva važni su za stvaranje vodika i pojavu pukotina.

Tip maziva Tipična temperatura raspadanja, stupanj Potencijal stvaranja vodika, (relativna) učestalost pukotina, 18% smanjenje prešanja, % predloženo čišćenje-nakon prešanja
Ništa (vakuum, suho savijanje)N/A|Ništa|0-5%|Najbolje nije relevantno
Mineralno ulje (lagano) 250-350 Visoko 40%-70% Vakuumsko pečenje + odmašćivanje otapalom
Sintetski ester 200 – 300 Vrlo visoko 50-80% Alkalno pranje + ultrazvučno
Klorirani parafin 150-250 Umjereno (HCl također) 30-50% Posebno čišćenje (uklanjanje HCl)
Lubrikant na bazi sapuna 300-400 Nisko do umjereno 15-30% Isperite u vrućoj vodi i osušite
Smjesa (topiva u vodi) izvlačenje 200-350 Umjereno 20-40% Visoki tlak DI ispiranje + pečenje
Praktične preporuke za prvo grijanje bez pukotina

Sljedeći standardi prešanja i čišćenja primjenjivi su na grijače s kućištem 316L kojima je potreban integritet prvog ciklusa.

Željena razina pouzdanosti Maksimalno smanjenje stiskanja (%) Minimalno čišćenje nakon stiskanja Maksimalna zaostala naprezanja stiskanja (MPa) Prvi postupak zagrijavanja
Standardno (ne-kritično) 16 Obrišite otapalom<200 Normal ramp (10-20°C/min)
Visoko (uranjanje u vodu) 14 Otapalo + vakuumsko pečenje na 150 stupnjeva, 2h<150 Slow ramp (5°C/min to 300°C, hold 1h)
Kritično (sustavi pod tlakom) 12 Ultrazvučno odmašćivanje + vakuumsko pečenje 200 stupnjeva, 4h 100 Vrlo spora rampa (2 stupnja/min) + međustanke
Vrlo važno (nuklearno, medicinsko) 10 (ili žareno nakon prešanja) Žarenje pune otopine nakon prešanja<30 (annealed)Ramp as always
Procjena rizika od pucanja prvog ciklusa

Postoje tri pristupa provjeri za kupce koji žele potvrdu prvog-ciklusa krekiranja vodika. 1. vodikovog ispekavanja-: prešajte i očistite grijač, a zatim zagrijavajte na 250 stupnjeva 4-6 sati u vakuumu ili suhom argonu da isparite vodik iz omotača. Drugi je mjerenje zaostalog naprezanja difrakcijom X-zraka na gotovom grijaču (ako je dostupan, prije punjenja s MgO). Prihvaćanje: naprezanje obruča<150-200 MPa. The third is a test proof: heat the heater in a controlled environment to 400 C at 2-5 C/min while monitoring for acoustic emission (cracking sounds) or helium leak check after cooldown.

Identifikacija prvog ciklusa polja vodikovog krekiranja

Ako se grijač pokvari tijekom početnog zagrijavanja (bez prethodnog servisiranja), pucanje-izazvano vodikom rezultirat će uzdužnim pukotinama na omotaču, često ravnim, bez udubljenja, ljuskica ili druge korozije. Površina prijeloma može pokazivati ​​intergranularne ili kvazi-karakteristike cijepanja s finim rupicama. Vidjet ćete znakove ostataka maziva (smeđe, ugljične naslage) na unutarnjem promjeru blizu pukotine. Lijek je zahtijevati strože naknadno-čišćenje prešanjem i ciklus pečenja-vodikom prije konačne montaže ili minimizirati smanjenje pretiska na<12-14%.

Zaključak: Kontrola smanjenja pritiska i ostataka maziva neophodna je kako bi se spriječilo pucanje prvog-ciklusa

Delayed hydrogen-induced cracking during the first heating cycle (150-350°C) of 316L stainless steel heater sheaths can be initiated by swaging reductions >16-18% in conjunction with residual stress >200-250 MPa i zaostala maziva iz procesa prešanja. Učestalost pucanja bila je 15-60% uz 18-20% smanjenja površine. Inženjeri koji određuju 316L omotače moraju ograničiti smanjenje prešanja na 14-16% za kritične primjene i zahtijevati čišćenje nakon-pretiskivanja (odmašćivanje otapalom + vakuumsko pečenje na 200 stupnjeva 4 sata) za uklanjanje ostataka maziva. Za najveću pouzdanost odredite ciklus ispiranja vodikom prije konačne montaže. Ovdje dani pristup dovodi u korelaciju smanjenje pritiska, zaostalo naprezanje i ostatke maziva s učestalošću vodikovog pucanja u prvom ciklusu, omogućujući kupcima da specificiraju proizvodne tehnike koje bi spriječile katastrofalni kvar hladno obrađenih 316L grijaćih plašta pri prvom zagrijavanju.