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 amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1.8 میلی متر) نیروی نوسان بیشتر در لایه های بیرونی جذب می شود و تنش های فشاری بزرگ فقط در نزدیکی سطح بیرونی ایجاد می شود، لایه های داخلی نسبتاً بی تأثیر هستند. تنش های کششی در سطح داخلی نیز به دلیل فشرده شدن کامل کمتر MgO کاهش می یابد. مطالعات پراش اشعه ایکس در مورد تنش پسماند در غلاف 316 swaged این همبستگی را تایید می کند. برای یک غلاف دیوار 0.9 میلی متر تنش فشاری سطح -280 مگاپاسکال بود. غلاف دیوار 1.5 میلی‌متری 180 مگاپاسکال{11}} میلی‌متر بود که فقط ۱۲۰ مگاپاسکال را نشان داد. غلاف نازک تر دارای تنش فشاری مطلوب تری در سطح بیرونی است که معمولاً ترک های خستگی ناشی از خوردگی تشکیل می شوند.

نقش تنش فشاری پسماند در ایجاد ترک ناشی از خستگی ناشی از خوردگی تاخیری
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 سطح تنش مورد نیاز برای شروع یک ترک را افزایش می دهد. اگر تراکم باقیمانده سطح 280- مگاپاسکال باشد، و تنش چرخه ای اعمال شده +200 مگاپاسکال باشد، آنگاه خالص در سطح 80- مگاپاسکال است. این هنوز فشاری است و نمی تواند باعث ایجاد ترک خستگی شود. تنش خالص فقط در صورتی وجود دارد که تنش چرخه‌ای بالاتر از +280 مگاپاسکال باشد. 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 سانتی گراد 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. یک غلاف 0.9 میلی متری با فشرده سازی باقیمانده قابل توجه می تواند در برابر شروع ترک برای میلیون ها چرخه مقاومت کند. با این حال، هر ترکی که بر میدان تنش پسماند غلبه کرده باشد، چه توسط یک گودال سطحی بزرگ یا یک اضافه بار گذرا، فقط 0.9 میلی متر ماده برای انتشار قبل از سوراخ شدن دارد. یک غلاف 2.0 میلی متری با فشردگی باقی مانده کمتر ممکن است باعث ایجاد ترک در چرخه های کمتر شود، اما ترک باید 2.0 میلی متر منتشر شود تا شکست ایجاد شود. کل عمر تا شکست=عمر شروع + عمر انتشار تست خستگی خوردگی در آب شور در دمای 60 درجه سانتیگراد در دستگاه تیر دوار کل چرخه های زیر را برای شکست 316 غلاف با قطر خارجی 10 میلی متر در فشار متناوب 200 مگاپاسکال نشان می دهد. یک غلاف 0.8 میلی متری در مجموع به 12 میلیون چرخه، 11.5 میلیون برای شروع و 0.5 میلیون برای انتشار رسید. غلاف 1.2 میلی متری 8 میلیون چرخه، 7 میلیون برای شروع و 1 میلیون برای انتشار مقاومت کرد. غلاف 1.6 میلی متری 5 میلیون چرخه (3 میلیون برای شروع و 2 میلیون برای انتشار) را تحمل کرد. غلاف 2.0 میلی متری برای 3.5 میلیون چرخه اجرا شد که 1.5 میلیون آن برای شروع و 2 میلیون برای انتشار بود. غلاف دیواره نازک{36} بالاترین فشار باقیمانده و طولانی‌ترین عمر کلی را دارد، حتی اگر حاشیه انتشار کم باشد.

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. مقادیر برای قرار گرفتن مداوم در معرض آب دریا یا آب شور در دمای 30 تا 60 درجه سانتیگراد و همچنین برای تکنیک‌های معمولی swaging بدون بازپخت پس از-swage است.

دامنه تنش چرخه ای مورد انتظار عمر سرویس مورد نیاز توصیه شده ضخامت دیواره غلاف 316 منطق طراحی حالت شکست غالب
کم، کمتر از 50 مگاپاسکال بیش از 10 سال 1.2 - 1.6 میلی متر خوردگی در شکاف ضخامت ناشی از مجاز خوردگی، تنش پسماند سود کمتر قابل توجه است.
متوسط، 50 - 150 مگاپاسکال 5 - 10 سال 1.0 - 1.2 میلی متر شروع خستگی ناشی از خوردگی دیواره نازک فشردگی باقیمانده بالایی را برای جلوگیری از ترک خوردن ایجاد می کند.
متوسط، 50 تا 150 مگاپاسکال 10 سال یا بیشتر 1.4 تا 1.6 میلی‌متر با بازپخت پس-سواج انتشار از مبدا آنیل مزیت تنش پسماند را کاهش می‌دهد. استفاده از حاشیه ضخامت
بالا، 150 - 250 مگاپاسکال 3 - 5 سال 0.8 - 1.0 میلی متر شروع خستگی خوردگی عمر کوتاه را بپذیرید، حداکثر فشرده سازی باقیمانده ضروری است
High, 150 – 250 MPa>5 سال316 امکان پذیر نیست اضافه بار یا ترک سریع با Incoloy 825 یا تیتانیوم جایگزین کنید
متغیر با بارهای بیش از حد، عمر مفید 1.6 - 2.0 میلی متر انتشار. به دنبال ترک غیرمنتظره حاشیه ضخامت در برابر رویدادهای پیش بینی نشده 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. انتخاب دیوارهای نازک با تنش پسماند بالا یا دیوارهای ضخیم با بازپخت بستگی به توانایی و هزینه ساخت دارد. برای اکثر کاربردهای دریایی که ارتعاش وجود دارد اما شدید نیست، در صورتی که ضخامت دیواره در محدوده 1.2 تا 1.4 میلی متر باشد، نوسان معمولی عملکرد خستگی خوردگی قابل اعتمادی را بدون پردازش اضافی ارائه می دهد.