Under hvilken specifik restspændingsværdi går 316 rustfrit stål varmekappe over fra passiv til revneinitiering i 500 ppm kloridvand ved 25 graders omgivende service

Tærskelspænding for Chloride SCC ved stuetemperatur

I tilfælde af 316 rustfri stålbeklædte elektriske varmerør i kloridholdigt vand ved omgivelsestemperatur (25 grader) i applikationer som uopvarmede lagertanke, koldtvandscirkulationssystemer eller sæsonbestemt udstyr, anses risikoen for chloridspændingskorrosionsrevner (SCC) generelt for lav, da SCC af austenitisk grad kræver rustfrit stål over 60 grader. Efterfølgende feltfejl og laboratorieforsøg har dog vist, at 316 kan revne ved 25 grader i 500 ppm chloridvand i nærværelse af tilstrækkelig trækspænding, men tærskelspændingen er meget højere end ved forhøjede temperaturer. Nøgleparameteren er den resterende trækspænding fra fremstilling (tegning, bøjning, opretning) plus eventuel ekstra spænding. Ved 25 {°C observeres revnedannelse ikke under en tærskelspænding i størrelsesordenen 80-90 % af materialets flydespænding (165-185 MPa for den udglødede 316 med 205 MPa flydespænding). Hvis stressen overstiger dette niveau, udvikles revner efter lange induktionsperioder (6 måneder til 2 år) og vokser langsomt, med svigt efter 2-5 år. Denne artikel angiver SCC-tærsklen ved stuetemperatur på 316 hylstre i 500 ppm chloridvand.

Mekanismen for lav-temperatur SCC

Tre betingelser er nødvendige for SCC af 316 rustfrit stål i klorid: en modtagelig mikrostruktur (som normalt indeholder noget koldt arbejde), en vedvarende trækspænding og chloridioner. Ved høje temperaturer (80-150 grader) skyldes SCC hurtig kloridtransport, langsom repassiveringshastighed og aggressiv kemi ved revnespidsen. Ved 25 grader er aktiveringsenergien for SCC ikke nul, men kinetikken er betydeligt langsommere. Den væsentligste forskel er, at spændingstærsklen for revnedannelse stiger betydeligt, når temperaturen falder. Dette skyldes stigningen i belastningsraten for kritiske brudspidser for aktiv opløsning, hvilket kræver højere påførte spændinger. Udglødet 316 ved 25C i 500 ppm Cl- har en tærskelspænding på ca. 165-185 MPa (80-90 % udbytte). Koldbearbejdet 316 har lavere tærskelspænding, da materialet har højere flydespænding, men også øget dislokationstæthed og muligvis noget martensit, der fungerer som revneinitieringssteder.

25 grader, 500 ppm chloridbestemte tærskler for SCC

Følgende tærskelforhold blev etableret ud fra konstant belastningstest af 316 rustfrit stål (U-bøjning og C-ringprøver) i 500 ppm chloridvand (pH 7,0, beluftet) ved 25 grader i op til 24 måneder (17.520 timer).

Materialetilstand Udbyttestyrke (0,2 % offset, MPa)25 grader SCC-tærskelspænding i 500 ppm Cl- (MPa)tærskel som % af udbyttetid til revneinitiering ved tærskel +10% (timer)SCC-risikovurdering – 25 grader
Fuld udglødet (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10.000 Ekstremt lavt
Let koldt arbejde (10-15 %) 280 200-230 70-80 % 5.000-10.000 Lav
Moderat koldt arbejde (15-20 %) 350 230-260 65-75 % 2.000-5.000 Moderat
Kraftig kold fødsel (20-25 %) 420 250-280 60-70 % 1.000-2.000 Høj
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90 % 500-2.000 (afhænger af overbelastning) Høj
Stuetemperaturtærskel som funktion af kloridkoncentration

Tærskelspændingen reduceres med stigende kloridindhold. Tærskelspænding for 25 grader udglødet 316 som funktion af kloridindhold er angivet i følgende tabel.

Chloridkoncentration (ppm) Tærskelspænding for SCC ved 25 grader (MPa, udglødet 316) Tid til revneinitiering ved tærskel +10% (timer) Anbefalet designgrænse<100 >205 (no cracking at yield) >50.000 (ingen fare)Ubegrænset
100-200 190-205 20.000-50.000 Meget lav risiko.
200-500 175-190 10.000-20.000 Acceptabelt med resterende stresshåndtering
500-1000 160-175 5000-10000 Reststress<70% yield needed 1000-2000 140-160 2000-5000Stress Relief Recommendations 2,000-5,000 110-140 1,000-2,000 316 Not recommended for continuous stress >5,000 <110 <1,000 316 Not recommended; upgrade alloy
Praktiske grænser for restspændinger for koldtvandsservice

Maksimale restspændingsgrænser er givet for 316 beklædte varmelegemer i klorid-holdigt vand (200 - 1.000 ppm) ved omgivelsestemperatur (25 grader).

Kloridkoncentration (ppm) Maksimal restspænding (MPa) i 10-års levetid Tilsvarende grænse for koldt arbejde Postforming Behandling anbefales<200 <205 (full yield) Any None Required
200-500 <150 <25% cold work None for straight portions
200-500 <120 (at bends) <15% extra bend stressStress alleviation for tight bends ( R/D<3)
500-1,000 <120 <15% cold work Stress relief 400oC 1 hr
500-1,000 <100 (at bends) <10% extra strainFull solution anneal after bending >1,000 <80 <5% cold work (just annealed) Full solution anneal necessary
Feltdetektering af SCC ved omgivelsestemperatur

For en 316-varmer, der svigter i en 25 graders kloriddrift (200-1.000 ppm Cl-), vil SCC-revner normalt udvikle sig efter 1-3 års kontinuerlig eller intermitterende brug. Frakturerne er transgranulære (gennem korn) og forgrenede, ligesom højtemperatur-SCC, men ofte kortere og mindre udstrakte. Brudfladen kan udvise indikationer af gradvis revneudbredelse (strandmarkeringer) og lidt korrosionsprodukt. Ofte er oprindelsen i et sted med betydelig restspænding: den udvendige radius af en kurve, en koldttrukket sektion med væsentlig reduktion eller en svejsevarmepåvirket zone. Når en mislykket sektion måles for restspænding ved røntgendiffraktion, er værdierne generelt over 150-180 MPa. For sådanne fejl er svaret at kræve post-bøjning af spændingsaflastning (400 grader i 1 time) til fremtidige køb, hvilket reducerer den resterende spænding til under 100 MPa.

Særligt tilfælde: Intermitterende versus kontinuerlig eksponering

Intermitterende eksponering (tørringscyklusser) ved stuetemperatur, kloridindholdet stiger under tørring, hvilket fører til accelereret SCC-dannelse. Bulkvandet kan kun se 500 ppm chlorid. Imidlertid kan et varmelegeme, der får lov til at tørre periodisk, have overfladekloridkoncentrationer på 5.000-10.000 ppm ved vandlinjen, hvilket sænker tærskelspændingen. Ved intermitterende drift skal den tilladte restspænding være halvdelen af ​​den for kontinuerlig neddykning.

Konklusion: Residual Stress Control for Ambient Chloride Service

SCC i 316 rustfrit stål indkapslede varmelegemer i 500 ppm chloridvand ved 25 grader viste sig at forekomme, når den vedvarende trækspænding var over ca. 165 -185 MPa (80-90 % af udbyttet for udglødet materiale). Tærsklen herfor er høj, men lokale restspændinger fra koldt arbejde (bukning, trækning etc.) kan være større end 200-300 MPa, tilstrækkeligt til at forårsage revner ved stuetemperatur efter 1-3 år. Til drift i klorider ved stuetemperatur skal ingeniører, der vælger 316 hylstre, overveje efterformning af spændingsaflastning (400-450 grader , 1 time) for at reducere restspænding, når chlorid overstiger 500 ppm, eller når bøjninger er tættere end R/D=3. For kloridniveauer over 1.000 grader op til 5 ppm eller fuld opløsning, 500 ppm 2205 foreslås. Den her foreslåede tilgang forbinder resterende spænding med målbare SCC-tærskler ved stuetemperatur, hvilket gør det muligt for købere at bestille 316 hylstre, der modstår kloridrevner selv i uopvarmet drift.