Hvilken maksimalt tilladte dybde af overfladeslibemærker efter centerløs efterbehandling af 316 varmeslanger forhindrer spændingskorrosion revnedannelse i 500 ppm kloridvand ved 90 grader

Overfladeridsen som et sted for spændingskoncentration for SCC-initiering

Tærsklen for spændingskorrosionsrevnedannelse (SCC) initiering i kloridmiljøer for 316 rustfri stålbeklædte elektriske varmerør, der er blevet centerløst slebet eller mekanisk poleret som den endelige efterbehandling for at opnå snævre diametertolerancer eller glatte overflader, styres direkte af dybden af de resterende slibemærker, afhængigt af µm-50 gr. sats. Hvert slibemærke er en geometrisk spændingskoncentrator med en teoretisk spændingskoncentrationsfaktor (K_t) på 1,5 for et glat, lavt mærke (dybde)<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 µm, rodradius<2 µm). 500 ppm chloride water at 90 oC. The residual tensile stresses from drawing or bending are typically 50-150 MPa. Grinding marks deeper than around 10-15 µm cause local stresses that surpass the SCC threshold and contribute to crack initiation in 1,000-5,000 hours. This paper evaluates the link between grinding mark depth, stress concentration and SCC initiation time, and provides surface finish criteria for chloride service.

Mekanisme for SCC-initiering ved overfladehak

316 spændingskorrosion i varme klorider kræver tre betingelser: en modtagelig mikrostruktur (normalt noget koldt arbejde), en langvarig trækspænding og et aggressivt kloridmiljø. I bunden af ​​et overfladeslibemærke er den lokale trækspænding givet ved $σ_{local}=σ_{applied}×K_{t}$ hvor $K_{t}$ er en funktion af mærkets geometri (forhold mellem dybde og radius). Et typisk slibemærke med dybde d og rodradius ρ giver K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). En lavvandet, afrundet bule (d=5 µm, ρ=10 µm) giver K_t≈1+2×sqrt(0,5)=2.4. For et dybt skarpt mærke (d=20 $\\mu$m, $\\rho}$ estimerer vi ${mu$m, $8m}}$${muKt$\\rho}$${mu$ 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . For en påført restspænding på 100 MPa er den lokale spænding 240 -730 MPa - over 205 MPa flydespænding og langt ind i det område, hvor SCC opstår hurtigt. En revne starter ved spændingskoncentrationen og fortsætter via anodisk opløsning ved revnespidsen, drevet af den påførte spænding, indtil kappevæggen er gennemboret.

Kvantitativt forhold mellem slibemærkedybde og SCC-initiering

Kontrolleret SCC-testning (kontinuerlig belastning, U-bøjning eller C--ringprøver) af 316-rør med kontrollerede dybde-overfladeslibemærker (opnået ved at ændre slibekorn og tilførselshastighed) i 500 ppm chloridvand ved 90 grader har etableret de essentielle dybder inden for SCC slibning.

Maksimal slibemærkedybde (µm) Typisk overfladeruhed (Ra, µm) Markerodsradius (µm, typisk) Spændingskoncentrationsfaktor (K_t) Tid til SCC-initiering (timer, 500 ppm Cl-, 90 grader , 100 MPa for restvægspænding (100 MPa for restvægspænding) Rekommendation pr. 5 mm. 500 ppm Cl-, 90 graders service<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30.000 Ja (ækvivalent elektropoleret)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10,000-20,000 15,000-25.000 Ja 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5,000-10,000 8,000-15.000 Acceptabelt 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500-5,000 4,000-8.000 Marginal 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1,000-2,500 2,000-4.000 Ikke anbefalet
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1,000-2.000 Ikke acceptabelt
20-30 1.5-2.0 2-3 6.0-8.0 200-500 400-1,000 Unacceptable30 >2.0 <2 >8.0 <200 <400 Unacceptable 
Indflydelsen af ​​niveauet af restbelastning på den tilladte mærkedybde

Den tilladte dybde af slibemærker varierer meget afhængigt af kappens resterende trækspænding. Højere restspænding kræver mere lavvandede markeringer for at forhindre SCC. Den maksimalt tilladte mærkedybde for mange restspændingsniveauer, 500 ppm Cl⁻, 90 grader er vist i tabellen nedenfor.

Resterende trækspænding (MPa) Maksimal tilladt slibemærkedybde i 10.000-timer SCC-fri levetid (µm) Påkrævet overfladeruhed (Ra, µm) Anbefalet efterbehandlingsmetode<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (tegning)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (moderat tegning)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (som-bøjet, ingen stressaflastning)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Praktisk chloridfinishing-specifikationsservice

Følgende overfladefinishkriterier anbefales for 316 beklædte varmeapparater til brug i kloridvand over 200 ppm ved temperaturer over 80 grader baseret på den estimerede restspændingstilstand.

Slutbehandlingsmetode Maksimal slibemærkedybde Maksimal Ra Kontrolmetode Restspændingstilstand
Spændingslindret (udglødet efter formning) Centerløs jord, 400-600 korn10 µm 0,5 µmVisuel + profilometer 50×
Som tegnet eller bøjet (ingen spændingslindring) Finslebet + mild polering 5 µm 0,3 µm Profilometer
Høje klorider Som tegnet Som bøjet elektropolering (fjern 20-30 µm)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Enhver, til kritisk serviceElectropolish + passivering0 (mærker helt fjernet)<0.1 µmComplete surface inspection
Feltidentifikation af SCC induceret af slibemærke

For varmeapparater, der er svigtet af SCC i kloridservice, bør brudoverfladen undersøges for bruddets oprindelsessted. Under forstørrelse (100-500×) vil revnen's oprindelse ofte falde sammen med et slibemærke eller en ridse. Mærket vil blive set som en skarpt defineret rille, ofte med korrosionsprodukt fortrinsvis opsamlet i rillen. SCC-revnerne forplanter sig vinkelret på slibemærkets retning (hvis mærkerne er periferiske, er revnerne aksiale, og hvis mærkerne er aksiale, er revnerne sædvanligvis periferiske, men kan følge mærket). Hvis slibemærker er til stede, og servicemiljøet har klorider på over 200 ppm og temperaturer over 80 grader, bør der være mistanke om SCC på grund af slibemærker. Svaret er at kræve elektropolerede eller finpolerede overflader til fremtidige køb, og at trække nuværende varmeapparater tilbage eller polere kappeoverfladen på plads, hvis det er tilgængeligt (sjældent praktisk).

Konklusion: Grænser for slibemærkedybde for kloridservice

Grinding markings >10-12 µm giver stresskoncentratorer og sænker SCC-starttiden for 316 rustfrit stålindkapslede varmelegemer i 500 ppm kloridvand ved 90 grader fra 20,000+ timer til 2.000-5.000 timer. SCC starter efter 500-1000 timer under de normale restspændingsniveauer i dybder, der er dybere end 20 µm. Til kloridservice bør ingeniører, der vælger 316 hylstre, specificere en maksimal dybde af slibemærker (f.eks. mindre end eller lig med 8 µm), eller tilsvarende en maksimal overfladeruhed (f.eks. Ra mindre end eller lig med 0,5 µm) og bede om verifikation ved profilometri. Til de mest fjendtlige kloridforhold, eller hvor resterende spændinger ikke kan minimeres, fjerner elektropolering for at fjerne det koldbearbejdede, ridsede overfladelag de spændingskoncentratorer, der er forbundet med slibemærker. Den her foreslåede fremgangsmåde relaterer slibemærkedybde til målbare SCC-initieringstider, hvilket giver køberen mulighed for at specificere overfladebehandlingsteknikker, der undgår for tidlig revneinitiering ved overfladefejl.