آیا خمش سرد لوله‌های غلاف فولادی ضد زنگ 316 برای بخاری‌های غوطه‌وری U شکل، آستنیت باقی‌مانده را به کرنش تبدیل می‌کند-مارتنزیت القایی و تسریع حفره‌شدن در آب با دمای پایین{3}}کلرید بالا{4}}؟

خطر متالورژیکی تشکیل لوله‌های گرمایش الکتریکی فولاد ضد زنگ 316 به شکل U یا خم‌شده سفارشی معمولاً در الزامات خوردگی استاندارد نادیده گرفته می‌شود. فرآیند خمش، به ویژه هنگام استفاده از شعاع‌های کوچک روی لوله‌های کشیده شده سرد، منجر به تغییر شکل پلاستیک می‌شود که آستنیت باقی‌مانده ناپایدار را به مارتنزیت ناشی از کرنش تبدیل می‌کند. این انتقال، عدد معادل مقاومت حفره ای موثر (PREN) ناحیه خم شده را کاهش می دهد، حتی زمانی که ماده پایه از نظر فنی 316 الزامات ترکیب را برآورده می کند. آزمایش الکتروشیمیایی داده‌های تجربی نشان می‌دهد که دمای حفره‌ای بحرانی (CPT) در بخش‌های خمیده سرد غلاف فولادی ضد زنگ 316 می‌تواند 15{17}}25 درجه کمتر از بخش‌های خم نشده ناشی از همان گرما باشد. در کاربردهایی که آب دارای کلرید کم اما دما زیاد است (به عنوان مثال، 80 تا 95 درجه سانتیگراد، 50 تا 100 قسمت در میلیون Cl-)، این کاهش معمولاً منطقه خم شده را از حالت حفره ای غیرفعال به حالت حفره ای فعال طی چند ماه خدمات منتقل می کند و باعث خرابی زودرس بخاری می شود. این مقاله ارتباط بین شعاع خمشی، کسر مارتنزیت ناشی از کرنش و حساسیت حفره‌ای را ارزیابی می‌کند و چارچوب انتخابی را برای مهندسین طراح که بخاری‌های غوطه‌وری فولاد ضد زنگ تشکیل شده 316 را برای محیط‌های آبی نسبتاً خشن مشخص می‌کنند، ارائه می‌کند.

مکانیسم متالورژیکی کرنش-مارتنزیت القا شده در فولاد ضد زنگ خمش سرد 316
ساختار آستنیتی فولاد ضد زنگ 316 از نظر ترمودینامیکی فقط در یک انرژی گسل انباشتگی خاص پایدار است. در زیر دمای شروع مارتنزیت (Ms)، تغییر شکل مکانیکی یک فرآیند کار سرد است که در آن انرژی تأمین‌شده برای ایجاد انتقال برشی از آستنیت مکعبی ($\\gamma$) روی-به مارتنزیت چهارضلعی بدنه-مرکز ($\\alpha'$) کافی است. دمای Ms فولاد ضد زنگ 316 حدود -40 درجه است. با این حال، مارتنزیت ناشی از کرنش در دمای اتاق برای کرنش پلاستیکی واقعی بیش از مقدار بحرانی دیده می‌شود. خم شدن به الیاف بیرونی غلاف و فشردگی روی الیاف داخلی فشار وارد می کند. ε=t/2R جایی که R شعاع خمش به خط مرکزی لوله است، t ضخامت دیواره و ε حداکثر کرنش پلاستیک در سمت کششی است. برای یک خم 2 بعدی یک لوله استاندارد OD 12 میلی متری با ضخامت دیواره 1.2 میلی متر تا شعاع خط مرکزی 24 میلی متر، کرنش فیبر خارجی 0.05 (5٪) است. در شعاع 15 میلی متری (خم 1.25 بعدی)، کرنش به 0.08 (8٪) افزایش می یابد. اندازه گیری با فریتسکوپ فیشر نشان می دهد که در فولاد زنگ نزن 316 یک کرنش کششی 5 درصد باعث ایجاد حدود 8-12 درصد a' مارتنزیت و کرنش 8 درصد در 15-25 درصد مارتنزیت می شود.

تولید مارتنزیت اثر دوگانه ای بر مقاومت در برابر خوردگی دارد. اولاً، مارتنزیت در کروم و مولیبدن کمتر از آستنیت حل می شود و منجر به ایجاد لکه های خالی از کروم در مرزهای فاز می شود. دوم، مارتنزیت یک فاز کاتدی نسبت به آستنیت است که منجر به تشکیل میکروسل‌های گالوانیکی و انحلال آندی آستنیت مجاور می‌شود. اسکن های پلاریزاسیون پتانسیودینامیک در محلول کلرید 100 پی پی ام در 80 درجه نشان می دهد که فولاد ضد زنگ 316 خم شده سرد با مارتنزیت 15 درصد دارای پتانسیل حفره ای +150 mV در مقابل Ag/AgCl است، در حالی که همان ماده در شرایط کاملاً تبلور مجدد دارای پتانسیل حفره ای +350 mV است. تغییر 200 میلی ولت به این معنی است که ناحیه خم شده به قطبش آندی بسیار کمتری برای شروع چاله نیاز دارد.

رابطه کمی بین شعاع خمشی و عمر حفره‌ای
بخاری‌های فولادی ضد زنگ 316 U شکل (ضخامت 1.5 میلی‌متر، قطر 12 میلی‌متر) تحت آزمایش‌های غوطه‌وری کنترل‌شده در آب خنک‌کننده مصنوعی (80 پی‌پی‌ام Cl−، 200 پی‌پی‌ام SO42−، pH 7.2، 85 درجه) قرار گرفتند تا نشان‌دهنده‌ی الگوی شکست شعاع حرارت‌دهنده به‌عنوان تابعی از شعاع 8 گرماگر در سطح 8 بود. W/cm 2 . شکست به‌عنوان سوراخی به دلیل ایجاد حفره در راس خمش بیرونی تعریف شد.

شعاع خمش 36 میلی‌متر (3D، کرنش≈3.3%): میانگین شکست حفره‌ای پس از 2100 ساعت. محتوای مارتنزیت در راس خمیده 6% شروع چندگانه، انتشار کند.

شعاع خمش 24 میلی‌متر (2 بعدی، کرنش 5.0%): میانگین شکست حفره‌ای پس از 1150 ساعت محتوای مارتنزیت: 11 درصد حفره‌های هسته‌دار ترجیحاً در قله‌های کرنش جانبی کششی.

شعاع خمش 18 میلی متر (1.5D، کرنش 6.7 %). میانگین شکست سوراخ شدن 550 ساعت. محتوای مارتنزیت 18٪; خوردگی موضعی در یک حلقه 2 میلی متری در خم بیرونی.

شعاع خمش 12 میلی متر (1 بعدی، کرنش 10%): متوسط ​​شکست حفره ای پس از 180 ساعت. محتوای مارتنزیتی: 27 درصد. سوراخ شدن سریع همراه با ترک در برخی موارد.

در کاربردهایی با غلظت کلرید بیشتر (300{3}}500 ppm) در آب فرآیند، طول عمر حفره‌ها در هر شعاع خمشی به میزان 2-3 کاهش می‌یابد. روش دیگر، برای دمای آب زیر 50 درجه، شتاب حفره‌ای ناشی از مارتنزیت ناچیز است زیرا دمای حفره‌ای بحرانی حتی برای بخش‌های خمیده بالاتر از دمای کار است.

اثرات حرارتی و مکانیکی حفره های موضعی در خم ها.
طراحی که استرس را در شعاع خم متمرکز می کند، شکست حفره ها را به خصوص دردسرساز می کند. هنگامی که یک گودال از دیواره غلاف می شکند، عنصر گرمایش داخلی (معمولا سیم NiCr یا FeCrAl) در معرض سیال فرآیند قرار می گیرد. در سیستم های مبتنی بر آب، این امر باعث ایجاد یک خطای زمین و خاموش شدن فوری بخاری می شود. با این حال، به دلیل مقاومت حرارتی بالاتر و چگالی جریان موضعی در ضخامت دیواره باقیمانده در پایه گودال، نقاط داغ جدا شده در گودال‌هایی با ضخامت جزئی- حتی قبل از سوراخ شدن کامل ایجاد می‌شوند. ترموگرافی مادون قرمز یک بخاری با نفوذ دیواره 30 درصد در خم نشان دهنده افزایش دمای سطح 35-50 درجه نسبت به دمای غلاف در اطراف خم است. این نقطه داغ خوردگی را افزایش می‌دهد و می‌تواند باعث سوختگی- سیم مقاومت داخلی به دلیل گرمای بیش از حد موضعی شود. حتی در سیستم های تحت فشار، یک گودال عمق جزئی می تواند به عنوان افزایش دهنده استرس عمل کند و هنگامی که بخاری در معرض چرخه حرارتی قرار می گیرد، ترک های خستگی ایجاد می کند.

تنش‌های پسماند کششی ناشی از خمش نیز باعث ایجاد ترک خوردگی تنشی (SSC) در شرایط خاص می‌شود. ترکیب تنش کششی پسماند (معمولاً 100{2}}250 مگاپاسکال در الیاف خمشی خارجی)، مارتنزیت و افزایش دما باعث ایجاد مکانیسم شکست هم‌افزایی در کلرید{5}}دارای شرایط برای فولاد ضد زنگ 316 می‌شود. تاریخچه موردی برای راکتورهای دسته‌ای شیمیایی موجود است، جایی که بخاری‌های 316 U شکل، خمیده به شعاع 1.5 بعدی در 200 پی‌پی‌ام Cl-سرویس در 95 درجه، پس از 300 ساعت در زیر دانه‌بندی SCC شکست خورده‌اند، در حالی که بخاری‌های یکسان خم شده به شعاع سه‌بعدی تقریباً بدون شکستن 300 ساعت کار می‌کنند.

راهنمای انتخاب شعاع خمشی بر اساس سطح کلرید و دمای عملیاتی
ماتریس تصمیم زیر به مهندسان در تعریف حداقل شعاع خم برای لوله‌های گرمایش الکتریکی از جنس فولاد ضد زنگ 316 به شکل U-و سفارشی{1} کمک می‌کند. برای هر ترکیبی از غلظت کلرید و حداکثر دمای غلاف، حداقل نسبت R/t توصیه شده (شعاع خم تقسیم بر قطر بیرونی لوله) برای محدود کردن رشد مارتنزیت به کمتر از 5 درصد داده می‌شود.

حداکثر غلظت کلرید (ppm) حداکثر دمای غلاف (درجه) حداقل شعاع خمشی توصیه شده (چندین لوله OD) گودال پیش بینی شده-عمر رایگان (ساعت) آیا به درمان حرارتی خمشی نیاز دارید؟
< 50 < 60 2.0 D > 5000 No 50 – 100 < 60 2.0 D > 4000 No 50 – 100 60 – 90 2.5 D > 3000 No 50 – 100 90 – 110 3.0 D > 2000 Recommended (solution anneal if possible)
600 > 90 4.0 D > 600 مورد نیاز + در نظر گرفتن ارتقاء آلیاژ (Incoloy 825) > 600 > 100 4.5 D > 500 مورد نیاز + ارتقاء آلیاژ را در نظر بگیرید (Incoloy 825) > 600 > 100 5.0 D > 400 مورد نیاز (200 > در نظر گرفتن آلیاژ 50 > در نظر گرفتن آلیاژ بالا) 100 6.0 D > 300 مورد نیاز + ارتقاء آلیاژ را در نظر بگیرید (Incoloy 825) > 600 > 100 7.0 D > 200 مورد نیاز + ارتقاء آلیاژ را در نظر بگیرید (Incoloy 825) > 600 > 100 8.0 D > 100 مورد نیاز + در نظر گرفتن درجه حرارت آلیاژ سرد 6020 (در نظر گرفتن درجه حرارت سرد 6020) استفاده از بخاری‌های مستقیم یا خم‌های داغ-مناسب نیست از 316 مستقیم استفاده کنید یا به سمت آلیاژ مقاوم‌تر حرکت کنید
برای کاربردهایی که در شرایط کلرید متوسط ​​نیاز به خم‌های فشرده U-کوچکتر از 2.5 بعدی دارند، سازندگان می‌توانند از روش بازپخت محلول پس از خمشی، حرارت دهی تا 1050 درجه و سپس خاموش کردن سریع آب، برای تبلور مجدد ساختار کرنش شده و حذف مارتنزیت استفاده کنند. با این حال، بازپخت کردن مجموعه‌های بخاری تکمیل‌شده معمولاً امکان‌پذیر نیست، زیرا المنت گرمایش داخلی و مهر و موم انتهایی نمی‌توانند این دماها را تحمل کنند. در این شرایط، یک پاسخ عملی می تواند تعیین شعاع خمش بزرگتر یا یک آلیاژ شکل پذیرتر، اما همچنان مقاوم در برابر خوردگی، مانند 316Ti (که تیتانیوم برای تثبیت کاربیدها و تمایل کمتر به تشکیل مارتنزیت اضافه شده است) مشخص کند.

مراحل اضافی برای کاهش خمش-خوردگی مرتبط
هنگامی که محدودیت‌های طراحی نیاز به شعاع خمشی باریک روی یک غلاف فولادی ضد زنگ 316 دارند، سه روش فنی می‌توانند تا حدی مقاومت در برابر خوردگی را بازیابی کنند. کرنش در فیبر بیرونی متناسب با t/R است. بنابراین، هر چه دیواره لوله قبل از خم شدن ضخیم تر باشد، برای شعاع خمش معین، فشار در فیبر بیرونی کمتر می شود. یک لوله دیواری 1.8 میلی متری که به شعاع 1.5 بعدی خم شده است، دارای کرنش کمتری نسبت به لوله دیواری 1.2 میلی متری است که به همان شعاع خم شده است. این منجر به کاهش تولید مارتنزیت در حدود 30٪ می شود. ثانیاً، مشخص کردن کربن کم 316L (حداکثر 0.03% C) در مقابل 316 (0.08% C) باعث افزایش مقاومت در برابر حساسیت در طول خمش و هر جوش بعدی می شود، اما مستقیماً از تشکیل مارتنزیت جلوگیری نمی کند. سوم، عملیات پولیش الکتریکی پس از خمش، یک لایه سطحی نازک (20 تا 50 میکرومتر) با حداکثر چگالی مارتنزیت و عیوب ناشی از تغییر شکل{18} را از بین می‌برد. آزمایش الکتروشیمیایی نشان می‌دهد که پرداخت الکتروشیمیایی یک خم 1.5 بعدی، پتانسیل حفره‌شدن را به 50 میلی‌ولت از حالت خم‌نشده می‌رساند و عمر مفید را به میزان سه برابر نسبت به خم‌های پرداخت نشده افزایش می‌دهد.

Bend Radii for Heavy Duty 316 Stainless Steel Immersion Heavy
مهندسان طراح که درخواست نقل قول در مورد لوله‌های گرمایش الکتریکی فولاد ضد زنگ 316 به شکل U یا خم شده سفارشی می‌کنند، باید حداقل شعاع خمش را در چند برابر قطر بیرونی لوله، غلظت کلرید مورد انتظار و حداکثر دمای عملیاتی سیال فرآیند را مشخص کنند. باور نکنید که شعاع خمش استاندارد سازنده برای شیمی آب شما مناسب است (معمولاً 2 بعدی یا 1.5 بعدی). برای تاسیسات جدید با سختی آب و سطوح کلرید معمولی برای منابع شهری (50-150 ppm Cl-، 60{16}}دمای کارکرد 80 درجه) حداقل شعاع خمشی سه بعدی را برای اطمینان از غلظت مارتنزیت زیر 5٪ و حفره‌های پیش‌بینی‌شده بیش از 10، ساعت عمر آزاد ارائه کنید. اگر محدودیت‌های فضایی، خم‌های محکم‌تر از ۲.۵ بعدی را دیکته می‌کند، از تامین‌کننده بخواهید اندازه‌گیری‌های مارتنزیت ناشی از کرنش-(فریتسکوپی یا پراش اشعه ایکس) را روی خم‌های نمونه انجام دهد، و پولیش الکتریکی یا یک روش آزادسازی تنش پس از خمش را در نظر بگیرید. مهندسان فرآیند با در نظر گرفتن شعاع خم به عنوان یک متغیر طراحی در شرایط مساوی با ضخامت دیوار و پرداخت سطح، از خرابی‌های زودرس که نه از بخش‌های مستقیم، بلکه از فیبر خارجی حساس هر خم ناشی می‌شوند، جلوگیری می‌کنند.