چگونه ضخامت دیواره غلاف فولادی زنگ نزن 316 بر توزیع تنش باقیمانده پس از جابجایی و تأثیر آن بر زندگی خستگی ناشی از خوردگی در محیط های دریایی تأثیر می گذارد؟

خستگی خوردگی یک مکانیسم خرابی تهاجمی ویژه برای بخاری‌های غوطه‌وری الکتریکی است که توسط مهندسان دریایی برای سکوهای دریایی، سیستم‌های کشتی و کارخانه‌های صنعتی ساحلی مشخص شده است، زمانی که بار مکانیکی چرخه‌ای و خوردگی کلریدی با هم ترکیب می‌شوند. خستگی ناشی از خوردگی نسبت به خستگی خالص در هوا یا خوردگی خالص در تنظیمات ایستا منجر به شروع ترک در دامنه‌های تنش بسیار کمتر و طول عمر چرخه کوتاه‌تر می‌شود. تنش‌های پسماند تولید شده توسط چرخاندن (که عایق اکسید منیزیم را در اطراف سیم مقاومت فشرده می‌کند) با تنش‌های سرویس برهم‌کنش می‌کنند و بسته به علامت و بزرگی آن‌ها، شکل‌گیری شکست را تسریع می‌کنند یا به تاخیر می‌اندازند. این مقاله اثر ضخامت دیواره غلاف را بر توزیع تنش پسماند پس از جابجایی و تأثیر این تنش‌های پسماند بر عمر خستگی خوردگی در یک محیط دریایی را کمی‌سازی می‌کند.

تولید تنش پسماند در نوسان 316 غلاف
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 میلی متر)، که تنش های فشاری قوی را فقط نزدیک به سطح بیرونی ایجاد می کند و لایه های داخلی را تا حد زیادی دست نخورده می گذارد. تنش های کششی در سطح داخلی نیز به دلیل تراکم کمتر کامل MgO همانطور که در ماده 12 بیان شد کمتر است. برای یک غلاف دیوار 0.9 میلی متر تنش فشاری سطح -280 مگاپاسکال بود. غلاف دیوار 1.5 میلی متری -180 مگاپاسکال بود. غلاف دیوار 2.0 میلی متری فقط 120 مگاپاسکال را نشان می دهد. غلاف نازکتر تنش فشاری سودمندتری را در سطح بیرونی، محل شروع شکستگی ناشی از خوردگی، ذخیره می کند.

اثر تنش فشاری پسماند بر شروع ترک ناشی از خستگی ناشی از خوردگی
تنش کششی حلقوی و الکترولیت خورنده حاوی کلرید باعث شروع شکستگی ناشی از خوردگی در فولاد ضد زنگ 316 می شود. ترک از یک گودال سطحی یا درپوشی شروع می شود که پوشش محافظ غیرفعال از کار افتاده است. اگر یک حالت تنش فشاری پسماند روی سطح وجود داشته باشد، تنش کششی چرخه‌ای اعمال شده باید بر این فشار غلبه کند تا کشش خالص در نوک ترک ایجاد شود. این به طور قابل توجهی تنش آستانه شروع ترک را افزایش می دهد. برای یک غلاف 0.9 میلی‌متری 316 با -فشرده‌ی باقی‌مانده سطحی 280 مگاپاسکال، یک تنش چرخه‌ای اعمال‌شده به میزان +200 مگاپاسکال منجر به خالص -80 مگاپاسکال در فشار ثابت سطحی می‌شود و قادر به ایجاد ترک خستگی نیست. فقط تنش چرخه ای بیش از + 280 مگاپاسکال کشش خالص را روی سطح ایجاد می کند. در مقایسه، یک غلاف 2.0 میلی‌متری که فقط 120 مگاپاسکال فشرده‌سازی سطحی دارد، زمانی که تنش اعمال‌شده بیشتر از +120 مگاپاسکال است، در کشش خالص قرار می‌گیرد، که یک آستانه بسیار پایین‌تر است. تست خستگی خوردگی در آب دریا مصنوعی در دمای 60 درجه این اثر را تایید می کند. نمونه‌هایی با ضخامت دیواره 0.9 میلی‌متر و فشردگی باقی‌مانده قابل‌توجه، 10 میلیون سیکل را در 250 مگاپاسکال تحمل کردند که تنش متناوب را بدون شروع ترک اعمال کردند. در همان بار اعمال شده، نمونه‌های با فشرده‌سازی باقیمانده کم و ضخامت دیواره 2 میلی‌متر پس از 2 میلیون چرخه شکست خوردند. غلاف نازک تر با وجود کاهش ضخامت مطلق دیواره، عمر خستگی خوردگی پنج برابر بیشتر داشت.

بین مزایای استرس باقیمانده و حاشیه ضخامت دیوار معامله کنید-
غلاف‌های دیواره نازک{0}}در خستگی ناشی از خوردگی مزیت دارند، اما در صورت شروع ترک، این مزیت باید در برابر حاشیه مواد پایین‌تر متعادل شود. غلاف 0.9 میلی متری، با فشرده سازی باقی مانده قابل توجه، ممکن است در برابر شروع ترک برای میلیون ها چرخه مقاوم باشد. با این حال، هنگامی که یک ترک بر میدان تنش پسماند غلبه می کند، مثلاً به دلیل یک گودال سطحی بزرگ یا یک بار اضافی کوتاه، فقط باید در 0.9 میلی متر از مواد منتشر شود تا سوراخ شود. یک غلاف 2.0 میلی متری با فشردگی باقیمانده کمتر ممکن است باعث ایجاد ترک در چرخه های کمتر شود، اما ترک باید تا 2.0 میلی متر پیشرفت کند تا باعث خرابی شود. کل زندگی تا شکست، مجموع زندگی آغازین و عمر انتشار است. نتایج آزمون خستگی خوردگی تیر دوار در آب دریا 60C برای نشان دادن کل چرخه‌های زیر تا شکست برای غلاف‌های OD 316 10 میلی‌متری در تنش متناوب 200 مگاپاسکال استفاده می‌شود. یک غلاف 0.8 میلی متری در مجموع 12 میلیون چرخه داشت (11.5 میلیون شروع، 0.5 میلیون انتشار). یک غلاف 1.2 میلی متری 8 میلیون چرخه (1 میلیون انتشار، 7 میلیون شروع){24}} میلیون چرخه (3 میلیون شروع، 2 میلیون انتشار) برای غلاف 1.6 میلی متری انجام داد. یک غلاف 2.0 میلی متری از 3.5 میلیون چرخه جان سالم به در برد (1.5 میلیون شروع، 2 میلیون انتشار). حاشیه انتشار کم است، اما فشرده سازی قوی باقیمانده غلاف دیواره نازک{{34} عمر کلی طولانی را به همراه دارد.

ماتریس انتخاب عمر خوردگی خستگی محیط دریایی
جدول زیر 316 ضخامت دیواره غلاف توصیه شده را برای بخاری های غوطه وری الکتریکی در خدمات دریایی بسته به دامنه تنش سیکلی تخمینی و عمر مفید مورد نیاز نشان می دهد. این مقادیر برای قرار گرفتن مداوم در معرض آب دریا یا آب شور در دمای 30 تا 60 درجه و همچنین برای تکنیک‌های swaging معمولی بدون بازپخت پس از{4}}swage هستند.

دامنه تنش چرخه ای مورد انتظار عمر سرویس مورد نیاز توصیه شده ضخامت دیوار غلاف 316 منطق طراحی حالت شکست غالب
کم (< 50 MPa) > 10 years 1.2 – 1.6 mm Crevice corrosion Residual stress benefit less essential. Corrosion allowance drives thickness
متوسط ​​(50 - 150 مگاپاسکال) 5 - 10 سال 1.0 - 1.2 میلی متر شروع خستگی خوردگی دیواره نازک برای فشرده سازی باقیمانده بالا برای جلوگیری از ترک خوردگی
متوسط ​​(50 - 150 مگاپاسکال) > 10 سال 1.4 - 1.6 میلی‌متر با بازپخت پست-تکثیر پس از شروع بازپخت مزیت استرس باقیمانده را کاهش می‌دهد. بر حاشیه ضخامت تکیه کنید
بالا (150 - 250 مگاپاسکال) 3 - 5 سال 0.8 - 1.0 میلی‌متر شروع خستگی ناشی از خوردگی حداکثر فشار باقیمانده ضروری است. کاهش عمر مفید قابل قبول است.
بالا (150 - 250 مگاپاسکال) > 5 سال برای 316LOoverload یا کرک سریع قابل اجرا نیست ارتقا به Incoloy 825 یا تیتانیوم
متغیر با اضافه بار مکرر هر انتشار 1.6 تا 2.0 میلی متر به دنبال ترک غیرمنتظره حاشیه ضخامت در برابر رویدادهای تصادفی محافظت می کند
در کاربردهایی که تنش‌های چرخه‌ای توسط ارتعاش، چرخه انبساط حرارتی یا تغییرات فشار ایجاد می‌شوند، مهم است که بتوانیم دامنه تنش را اندازه‌گیری یا برآورد کنیم. در غیاب اندازه گیری، سطح تنش متوسط ​​100 مگاپاسکال یک پیش فرض محتاطانه است. در این موارد، ضخامت دیواره 1.2 میلی متر، مصالحه بهینه را بین مزیت تنش پسماند و حاشیه انتشار می دهد. مهندسان همچنین باید در نظر داشته باشند که برای غلاف‌های دیواره‌ای ضخیم که در برنامه‌های-چرخه-استفاده می‌شوند، بازپخت کردن پست{5}}swage را در نظر بگیرند. بازپخت در 1050 درجه به طور کامل تنش های پسماند و در نتیجه مزایای خستگی ناشی از خوردگی دیواره های نازک را حذف می کند، همچنین تنش های پسماند کششی در سطح داخلی که می تواند منجر به انتشار شکست شود. یک غلاف 1.6 میلی متری آنیل شده دارای عمر خستگی کل مشابه با غلاف 1.2 میلی متری غیر آنیل شده است و روشی جایگزین برای دستیابی به عمر طولانی بدون تکیه بر دیواره های نازک ارائه می دهد. قابلیت و هزینه ساخت تابعی از دیوارهای باریک با تنش پسماند بالا یا دیوارهای ضخیم با آنیل است. برای اکثر کاربردهای دریایی با ارتعاش موجود اما نه شدید، ضخامت دیواره 1.2-1.4 میلی متر با نوسان معمولی عملکرد خستگی خوردگی قابل اعتمادی را بدون پردازش اضافی ارائه می دهد.