Hvordan påvirker 316 rustfrit stålkappens vægtykkelse fordelingen af ​​resterende spændinger efter sænkning og dens effekt på korrosionstræthedslivet i marine miljøer?

Korrosionstræthed er en særlig aggressiv fejlmekanisme for elektriske dyppevarmere specificeret af marineingeniører til offshore platforme, skibssystemer og kystindustrielle anlæg, når cyklisk mekanisk belastning og kloridkorrosion kombineres. Korrosionstræthed fører til revneinitiering ved meget lavere spændingsamplituder og kortere cykluslevetider end ren træthed i luft eller ren korrosion i statiske omgivelser. De resterende spændinger genereret af sænkning (som komprimerer magnesiumoxidisoleringen omkring modstandstråden) interagerer med driftsspændinger og enten accelererer eller forsinker bruddannelse afhængigt af deres tegn og størrelse. Denne artikel kvantificerer virkningen af ​​kappens vægtykkelse på fordelingen af ​​restspænding efter sænkning og virkningen af ​​disse resterende spændinger på korrosionstræthedslevetiden i et havmiljø.

Generering af resterende stress i sænkning af 316 skeder
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The size of these residual strains is dependent on wall thickness and diameter reduction. For a thin walled sheath--below 1.0 mm--the swage force penetrates almost the whole wall thickness. The resulting strong compressive stresses at the outer surface (-200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (+50 to +100 MPa) are obtained. The swaging force is taken mostly by the outside layers of the thick-walled sheath (>1,8 mm), som kun udvikler stærke trykspændinger tæt på den ydre overflade, hvilket efterlader de indre lag stort set uberørte. Trækspændingerne ved den indre overflade er ligeledes lavere på grund af den mindre fuldstændige MgO-komprimering som angivet i artikel 12. Denne forbindelse blev bekræftet af røntgenstrålediffraktionsmålinger af resterende spænding i de sænkede 316 hylstre. For en 0,9 mm vægkappe var overfladetrykspændingen -280 MPa. En 1,5 mm vægkappe var -180 MPa. 2,0 mm vægkappen udviste kun -120 MPa. Den tyndere kappe lagrer mere fordelagtig trykspænding ved den ydre overflade, stedet for korrosionstræthedsbrudsinitiering.

Effekten af ​​resterende trykspænding på korrosionstræthedsrevneinitiering
Den cykliske trækspænding og korrosive elektrolytholdige chlorider forårsager korrosionstræthedsbrud i 316 rustfrit stål. Revnen starter ved en overfladegrav eller inklusion, hvor den passive beskyttende belægning er svigtet. Hvis en resterende trykspændingstilstand er til stede på overfladen, skal den påførte cykliske trækspænding overvinde denne kompression for at frembringe nettospænding ved revnespidsen. Dette øger tærskelspændingen for revnestart markant. For en 0,9 mm 316 kappe med -280 MPa overfladerestkompression resulterer en påført cyklisk spænding på +200 MPa i kun -80 MPa netto ved overfladen, der stadig er kompressiv og ude af stand til at starte en udmattelsesrevne. Kun den cykliske spænding, der overstiger + 280 MPa, genererer nettospændingen på overfladen. Til sammenligning er en 2,0 mm kappe, der kun har -120 MPa overfladekompression, i nettospænding, når den påførte spænding er større end +120 MPa, en langt lavere tærskel. Korrosionstræthedstest i syntetisk havvand ved 60 grader validerer denne effekt. Prøver med en vægtykkelse på 0,9 mm og betydelig resterende kompression holdt 10 millioner cyklusser ved 250 MPa påført vekselspænding uden revnestart. Ved den samme påførte belastning svigtede prøver med lille resterende kompression og 2,0 mm vægtykkelse efter 2 millioner cyklusser. Den tyndere kappe gav fem gange længere korrosionstræthedslevetid på trods af reduceret absolut vægtykkelse.

Afvej-Mellem Residual Stress Benefit og Wall Thickness Margin
Tyndt-væggede hylstre har fordelen ved korrosionstræthed, men dette skal afbalanceres mod den nedre materialemargin, hvis en revne starter. Den 0,9 mm kappe, med betydelig resterende kompression, kan være modstandsdygtig over for revnestart i millioner af cyklusser. Men når en revne overvinder det resterende spændingsfelt, f.eks. på grund af en enorm overfladegrav eller en kort overbelastning, behøver den kun at forplante sig gennem 0,9 mm materiale for at forårsage perforering. En 2,0 mm kappe med mindre resterende kompression kan starte en revne ved færre cyklusser, men revnen skal gå gennem 2,0 mm for at udløse fejl. Totalt liv til fiasko er summen af ​​indvielsesliv og forplantningsliv. Testresultater af roterende strålekorrosionstræthed i 60C havvand bruges til at illustrere følgende samlede cyklusser til svigt for 10 mm OD 316 hylstre ved 200 MPa vekselspænding. En 0,8 mm kappe havde 12 millioner cyklusser i alt (11,5 millioner start, 0,5 millioner udbredelse). En 1,2 mm kappe udførte 8 millioner cyklusser (1 million udbredelse, 7 millioner start). 5 millioner cykler (3 millioner start, 2 millioner udbredelse) for en 1,6 mm kappe. En 2,0 mm kappe overlevede 3,5 millioner cyklusser (1,5 millioner initiering, 2 millioner formering). Udbredelsesmarginen er lille, men den stærke resterende kompression af tynd-væggede kappe resulterer i lang levetid.

Havmiljø Korrosion Træthed Levetid Valg Matrix
Den følgende tabel viser anbefalede 316 kappevægtykkelser for elektriske el-patron i marinedrift afhængig af estimeret cyklisk spændingsamplitude og nødvendig levetid. Værdierne er for kontinuerlig eksponering for havvand eller brakvand ved 30-60 grader og også for normale sænketeknikker uden efter-spoleudglødning.

Forventet cyklisk spændingsamplitude Servicelevetid påkrævet Anbefalet 316 kappe vægtykkelse Dominant fejltilstand Designbegrundelse
lav (< 50 MPa) > 10 years 1.2 – 1.6 mm Crevice corrosion Residual stress benefit less essential. Corrosion allowance drives thickness
Moderat (50 – 150 MPa) 5 – 10 år 1,0 – 1,2 mm Korrosionstræthedsinitiering Tyndvæg for høj restkompression for at undgå revnedannelse
Moderat (50 – 150 MPa) > 10 år 1,4 – 1,6 mm med post-udglødning Udbredelse efter påbegyndelse Udglødning reducerer resterende stressfordel; stole på tykkelsesmargen
Høj (150 – 250 MPa) 3 – 5 år 0,8 – 1,0 mm Påbegyndelse af korrosionstræthed Maksimal resterende kompression et must; reduceret levetid acceptabel.
Høj (150 – 250 MPa) > 5 år Ikke levedygtig for 316LO-overbelastning eller hurtig krakning Opgradering til Incoloy 825 eller titanium
Variabel med hyppig overbelastning Enhver udbredelse på 1,6 – 2,0 mm efter uventet revne Tykkelsesmargin beskytter mod stokastiske hændelser
I applikationer, hvor cykliske spændinger induceres af vibrationer, termiske ekspansionscyklusser eller trykændringer, er det vigtigt at kunne måle eller estimere spændingsamplituden. I mangel af måling er et moderat spændingsniveau på 100 MPa en forsigtig standard. I disse tilfælde giver vægtykkelsen på 1,2 mm det optimale kompromis mellem fordelen ved restspænding og spredningsmarginen. Ingeniører bør også overveje at anbefale efter-swagglødning til tykke-væggede hylstre, der bruges i høj-applikationer. Udglødning ved 1050 grader fjerner fuldstændigt restspændinger og dermed korrosionstræthedsfordelen ved tynde vægge, men også de træk-restspændinger ved den indvendige overflade, der kan føre til brududbredelse. En udglødet 1,6 mm kappe har en tilsvarende total udmattelseslevetid som en ikke-glødet 1,2 mm kappe, hvilket tilbyder en alternativ tilgang til at opnå lang levetid uden at være afhængig af tynde vægge. Fremstillingsevne og omkostninger er en funktion af smalle vægge med høj restspænding eller tykke vægge med udglødning. For de fleste marine applikationer med vibrationer tilstede, men ikke alvorlige, vil en vægtykkelse på 1,2-1,4 mm med normal sænkning give pålidelig korrosionstræthedsydelse uden ekstra bearbejdning.