چگونه درصد کشیدگی باقیمانده از آزمایش کشش لوله غلاف فولادی ضد زنگ 316 با شکل‌پذیری و مقاومت ترک خوردگی در برابر خوردگی تنشی در طول خم شدن هیتر مرتبط است

پارامتر شکل پذیری: کنترل قابلیت ساخت و عمر سرویس

درصد کشیدگی باقیمانده اندازه‌گیری شده در یک آزمایش کششی استاندارد (درصد کشیدگی پس از شکست) لوله فولادی ضد زنگ 316 که برای ساخت عناصر گرمایش الکتریکی غلاف‌دار استفاده می‌شود، یک شاخص کلیدی از دو ویژگی عملکرد به ظاهر نامرتبط است. مقادیر ازدیاد طول بیشتر (معمولاً 40-50 درصد برای 316 کاملاً آنیل شده) در شرایط{6}}دریافت شده، شکل پذیری خوب و توانایی خم شدن در شعاع های تنگ بدون شکستن یا برگشت فنری بیش از حد را نشان می دهد. با این حال، همان ویژگی‌های ریزساختاری که باعث افزایش طول سریع می‌شود-دانه‌های آستنیت بزرگ و هم محور با چگالی کم جابجایی{12}}همچنین آسیب‌پذیری در برابر ترک خوردگی تنشی (SCC) را در شرایط کلرید داغ افزایش می‌دهد. از طرف دیگر، لوله با کشیدگی متوسط ​​(25 تا 35 درصد از کار سرد جزئی) مقاومت SCC بهتری دارد اما در حین عملیات خمشی مستعد ترک خوردن است. این مقاله درک کمی از رابطه بین درصد کشیدگی کششی، محدودیت‌های شکل‌پذیری خمشی و مقاومت SCC در خدمات ارائه می‌کند و یک چارچوب مشخصات برای متعادل کردن بازده تولید با قابلیت اطمینان بلندمدت پیشنهاد می‌کند.

مبنای متالورژیکی رابطه معکوس بین شکل پذیری و مقاومت در برابر SCC

درصد کشیدگی فولاد ضد زنگ 316 عمدتاً توسط اندازه دانه و چگالی نابجایی کنترل می شود. لوله کاملا آنیل شده (محلول بازپخت شده در 1040-1100 درجه و به دنبال آن خاموش کردن سریع) دارای اندازه دانه متوسط ​​ASTM 6-8 (30-50 میکرومتر)، چگالی نابجایی کم (108-109 سانتی متر مربع) و مقادیر طولی 45-55 درصد طول آزمایش معمولی است. این شکل پذیری بالا به لوله اجازه می دهد تا به شعاع های محکم (نسبت R/D کمتر از 1.5) بدون ترک خوردگی خم شود زیرا دانه ها می توانند بلغزند و بچرخند تا با تغییر شکل پلاستیک مواجه شوند. با این حال، دانه های درشت و مرزهای دانه روشن مسیرهای پیوسته ای را برای انتشار SCC ارائه می دهند. در تنظیمات کلرید گرم شده (60{19}}100 درجه، 500-2000 ppm Cl-) ترک‌ها در پله‌های لغزنده روی سطح هسته تشکیل می‌شوند و به صورت فراگرانول در امتداد سطوح کریستالوگرافی منتشر می‌شوند. در ساختارهای دانه درشت، ترک می تواند قبل از برخورد با یک مانع دانه ای که می تواند آن را منحرف یا متوقف کند، به 100-200 میکرومتر برسد. مقدار کمی از کار سرد قبلی (کاهش 10-20٪، و در نتیجه مقادیر کشیدگی 25-35٪) منجر به تراکم نابجایی قابل توجه و تولید نوارهای تغییر شکل و مارتنزیت ناشی از کرنش می شود. این ویژگی ها با ایجاد مسیرهای پرپیچ و خم و تغییر حالت تنش در نوک ترک، به عنوان موانعی برای انتشار شکستگی عمل می کنند. مقاومت SCC به میزان 3-5 برابر که توسط زمان شکست در آزمایش کلرید منیزیم در حال جوش تعیین می شود، بهبود می یابد. با این حال، همان کار سرد، شکل پذیری باقی مانده برای خم شدن را نیز کاهش می دهد. لوله‌هایی با ازدیاد طول 25 درصد معمولاً می‌توانند به نسبت R/D فقط 2.5-3.0 قبل از ایجاد ترک‌های سطحی خم شوند، در مقایسه با 1.5-2.0 برای مواد کاملاً آنیل شده.

کمی سازی حدود شکل پذیری خمشی به عنوان تابعی از کشیدگی

حداقل شعاع خمیدگی برای لوله های فولادی ضد زنگ 316 بدون شکستگی به ازدیاد طول یکنواخت مواد مرتبط است. کشیدگی یکنواخت فشاری است که در آن گردن شدن شروع می شود. برای درصد کشیدگی معین (e) حداقل شعاع خم Rmin نسبت به قطر بیرونی لوله D حدود Rmin /D=(50/e) - 0.5 برای قطر لوله معمولی است. این رابطه تجربی، بر اساس داده‌های تست خم برای لوله‌های OD 10 تا 20 میلی‌متری، راهنمای مفیدی برای تعیین وضعیت لوله نسبت به هندسه خمشی مورد نظر است. برای بخاری که نیاز به خمش 1.5 بعدی (شعاع 15 میلی‌متر روی لوله 10 میلی‌متری) دارد، ازدیاد طول مورد نیاز حدود 45{17}}50 درصد است، بنابراین لوله‌های کاملاً آنیل شده مورد نیاز است. برای یک خم 2.5 بعدی، ازدیاد طول مورد نیاز به 28-33% کاهش می‌یابد که امکان استفاده از لوله‌های با سرد کاری ملایم- (یک چهارم سخت) را فراهم می‌کند. برای خم های رفت و برگشتی 4 بعدی یا بزرگتر، ازدیاد طول 20-25 درصد کافی است و می توان از لوله نیمه سخت استفاده کرد. جدول زیر اطلاعات خاصی را در رابطه با نسبت خمش مورد نیاز، حداقل کشیدگی کششی مورد نیاز برای تشکیل بدون ترک و پیامدهای متعاقب آن برای مقاومت SCC در سرویس ارائه می دهد.

نسبت شعاع خم مورد نیاز (R/D) حداقل طول مورد نیاز برای جلوگیری از ترک خوردگی (%) وضعیت لوله توصیه شده (سختی/مقاومت SCC کلرید گرم کار سرد (نسبت به کاملاً-بازپخت) حداکثر کلرید توصیه شده (ppm) در دمای 90.10 درجه سانتی‌گراد خمشی تا 9 دقیقه 48-55 کاملا آنیل شده (80-90 HRB، 150-180 HV) خط پایه (1×)<300
1.5-2.0 (U-bend استاندارد) 40-48 کاملاً آنیل شده یا آنیل سبک پایه تا 1.2×<400 2.0-2.5 33-40 Quarter-hard (88-95 HRB, 180-220 HV) 1.5-2× <800 2.5-3.0 28-33 Quarter-hard to half-hard (95-100 HRB, 220-250 HV) 2-3× <1500
3.0-4.0 22-28 نیمه-سخت (100-105 HRB، 250-280 HV) 3-4×<25004.0 (sweep bend) 18-22 Half hard to full hard (105-110 HRB, 280-320 HV) 4-5× <4000
سازش عملی برای سازندگان و تعیین کننده های بخاری

برای یک بخاری ساز، لوله کاملا آنیل شده بهترین انتخاب برای به حداکثر رساندن بازده تولید است، زیرا می توان خم های محکم را بدون شکستگی ایجاد کرد و برگشت فنر کمتر به معنای اتصال کمتر است. با این حال، بخاری ساخته شده با لوله 316 کاملا آنیل شده، حتی با شیمی حجیم مناسب، ممکن است در اوایل-حاوی آب کلرید به دلیل SCC{3}} از کار بیفتد، نه به دلیل بد بودن مواد، بلکه به این دلیل که ریزساختار شکل پذیری بالا به طور طبیعی آسیب پذیرتر است. برای کاربر نهایی که بخاری را برای یک محیط کلرید شناخته شده مشخص می کند، راه حل بهینه این است که لوله هایی را مشخص کنید که قبل از خم شدن کمی سرد کار شده است- (15{12}}کاهش 20٪، ازدیاد طول 25-35%)، و انتخاب شعاع خمشی که این ماده بتواند با آن سازگار شود. اگر کاربرد یک خم 1.5 بعدی باشد (به عنوان مثال، یک لوله U فشرده برای یک مخزن کوچک)، لوله‌های کاملا آنیل شده ممکن است تنها گزینه عملی باشند. کاربر باید با کاهش عمر SCC زندگی کند یا آلیاژ را به 316L یا 316Ti با شکل پذیری مشابه اما مقاومت SCC بهتر به دلیل کربن کمتر یا افزودن تثبیت کننده ارتقا دهد. برای طرح‌های جدید، تعیین شعاع خمش بیشتر (R/D بزرگتر یا مساوی 2.5) هر زمان که عملی باشد، استفاده از لوله‌های یک چهارم سخت را که مقاومت SCC قابل ملاحظه‌ای بهتری دارد و تنها سازش کمی در شکل‌پذیری دارد، اجازه می‌دهد.

روش های اعتبارسنجی برای ازدیاد طول و کیفیت خم کافی

Buyers who specify 316 sheathed heaters have three verification techniques to assure the tubing utilised has the specified elongation for both the required bend geometry and the predicted service environment. The first is the tensile test report from the tubing supplier, showing % elongation (usually measured over 50 mm, or 2 inches) and yield strength. Elongation must be >40 درصد برای خم شدن هیترهای R/D < 2.0. برای ازدیاد طول R/D بین 2.0-3.0 باید بزرگتر یا مساوی 30% باشد. تأیید دوم یک آزمایش خمشی با هدایت نمونه ای از لوله واقعی پس از خم شدن اما قبل از مونتاژ در بخاری است. این آزمایش یک خم 180 درجه حول یک سنبه با شعاع مناسب با مشاهده بصری در بزرگنمایی 10× است. ازدیاد طول برای شعاع خمش در صورت وجود ترک‌های بیشتر از 0.5 میلی‌متر کافی نیست. تایید سوم، تست سختی بخاری تمام شده در شعاع بیرونی خمش است. اگر سختی کمتر از 250 HV باشد، لوله قبل از خم شدن به اندازه کافی آنیل شده است. اگر بیشتر از 320 HV باشد، لوله در خم از حالت نیمه آنیل شده بیش از حد کار شده است و این باعث کاهش شکل پذیری و در عین حال افزایش مقاومت SCC می شود، اما حالت اول ممکن است باعث ایجاد ترک سریع شود. برای سرویس در محیط‌هایی که SCC یک نگرانی است، آزمایش EPR (فعال‌سازی مجدد پتانسیوکینتیک الکتروشیمیایی) روی نمونه‌ای از بخش مستقیم بخاری تمام‌شده تأیید می‌کند که ماده به طور کامل آنیل نشده است، مقدار EPR بیشتر از 1.5 C/cm2 نشان‌دهنده باقی‌ماندن مقداری کار سرد است که برای مقاومت SCC مفید است.

پست{0}}درمان حرارتی خمشی: ملاحظات و تأثیرات ویژه بر افزایش طول

If a heater needs both tight radius bends (R/D < 2.0) and excellent SCC resistance for chloride service, then post-bend solution annealing offers a way to satisfy both criteria. The tube can be fully annealed for bending (elongation >45%), formed to the tight radius and then given a full solution anneal (1040-1100°C, water quench) which relieves bending stresses, recrystallises the grain structure and removes cold work. This treatment restores the elongation to >45٪، اما مقاومت SCC مربوط به مواد کاملاً آنیل شده است- بهتر نیست. خمش های محکم و مقاومت SCC بالا را نمی توان با کاهش تنش نسبی پس از خمش در 400-500 درجه به دست آورد زیرا ساختار دانه را تبلور مجدد نمی کند. تنها راه برای حفظ کار سرد (و در نتیجه مقاومت SCC) پس از خم شدن این است که خم را با لوله‌هایی که قبلاً در شرایط سرد کار قرار دارند انجام دهید (مثلاً یک چهارم{11}}سخت با کشیدگی 30٪). شکل‌پذیری یک چهارم{16}}لوله سخت باید به گونه‌ای باشد که در صورت نیاز به خمیدگی 2 بعدی، در خمیدگی 2 بعدی بدون ترک باقی بماند. اگر R/D کمتر از 2.0 باشد، لوله‌های یک چهارم سخت معمولاً شکسته می‌شوند، بنابراین طراح باید R/D بزرگ‌تر را بپذیرد، یا از لوله‌های کاملا آنیل شده با مقاومت SCC کمتر استفاده کند، یا به یک آلیاژ مقاوم SCC بهتر (دوبلکس 2205) ارتقا دهد که استحکام بالا را با شکل‌پذیری خوب ترکیب می‌کند.

نتیجه گیری: تعریف ازدیاد طول به عنوان یک پارامتر کیفی برای دو منظور

درصد کشیدگی ناشی از آزمایش کشش لوله غلاف فولادی ضد زنگ 316 نه تنها یک معیار پذیرش کیفیت است، بلکه یک پیش بینی مستقیم حداقل شعاع خم بدون ترک در طول ساخت بخاری و متعاقب آن مقاومت به ترک خوردگی تنشی در سرویس کلرید داغ است. لوله کاملا آنیل شده (45-55% کشیدگی) بهترین شکل‌پذیری را تا خم‌های شعاع محکم R/D=1.5 اما کمترین مقاومت را در برابر SCC ارائه می‌دهد. لوله‌های سرد{14}کار شده (25 تا 35 درصد ازدیاد طول) مقاومت SCC را بهبود می‌بخشد، اما به شعاع خمش طولانی‌تری (R/D > 2.5) برای جلوگیری از ترک خوردن در حین شکل‌گیری نیاز دارد. انتخاب ازدیاد طول لوله با هندسه خم مشخص شده و غلظت کلرید تخمینی تعیین می شود. مهندسانی که بخاری های غلاف دار را برای محیط های کلرید مشخص می کنند باید هر دو را در نظر بگیرند. اگر کاربرد به هر دو خمش محکم و مقاومت SCC قوی نیاز دارد، باید شعاع خمش را افزایش داد، آلیاژ را به 316 لیتر یا دوبلکس به روز کرد، یا طول عمر تخمینی را کاهش داد. خریداران می توانند لوله غلاف 316 را مشخص کنند که تعادلی بین قابلیت تولید و قابلیت اطمینان طولانی مدت در محیط های خورنده پیدا می کند. این چارچوب، کشیدگی کششی را به دوگانگی شکل پذیری و مقاومت SCC مرتبط می کند.