چگونه نمای تنش باقیمانده ناشی از صاف کردن لوله غلاف بخاری فولادی ضد زنگ 316 آستانه ترک خوردگی ناشی از استرس کلرید را تغییر می دهد

منبع ناخواسته: تنش سطحی کششی ناشی از فرآیند صاف کردن.

صاف کردن غلتکی اغلب آخرین مرحله در فرآیند تولید لوله های گرمایش الکتریکی غلاف فولادی ضد زنگ 316 قبل از برش و خم شدن آنها است. این روش انحنای لوله را به عنوان-کشیده (یا{3}}بازپخت) با عبور دادن آن از طریق غلتک‌های افست حذف می‌کند و یک پروفایل تنش پسماند پیچیده را روی سطح لوله معرفی می‌کند. تنش های پسماند کششی 50-200 مگاپاسکال در 50-150 میکرومتر خارجی دیواره غلاف در سمت کشش هر نقطه تماس غلتک صاف کننده وارد می شود. این تنش‌های کششی پسماند تنش حلقه اعمال‌شده را با انبساط حرارتی و فشار داخلی در محیط‌های حاوی کلرید در دمای بالا (بالاتر از 60 درجه) افزایش می‌دهند تا باعث ایجاد ترک خوردگی تنشی (SCC) در تنش‌هایی شود که برای مواد تنش‌زدایی بی‌خطر است. این مقاله همبستگی بین تنش پسماند ناشی از صاف کردن، سطح کلرید و زمان شروع SCC را ارزیابی می‌کند و محدودیت‌هایی را برای کاهش تنش پس از صاف کردن در سرویس خورنده ارائه می‌کند.

مکانیسم تنش سطحی که باعث صاف شدن می شود

لوله های فولادی ضد زنگ با عبور از بین یک سری غلتک های افست که لوله را در جهت های متناوب تغییر شکل پلاستیکی می دهند، غلتکی صاف می شود. کرنش های کششی در الیاف بیرونی لوله معمولاً بین 0.5٪ تا 2.0٪ بسته به انحنای شروع و افست غلتک صاف کننده متغیر است. یک کرنش پلاستیکی کششی اعمال شده 0.5٪ در فولاد ضد زنگ 316 آنیل شده، با استحکام تسلیم تقریباً 205 مگاپاسکال، مربوط به تنش پسماند 150-200 MPa (75-100٪ استحکام تسلیم) است. توزیع تنش‌های پسماند کاملاً محلی است: بیشترین تنش‌ها در یک لایه سطحی نازک (20 تا 100 میکرومتر عمق) دیده می‌شود، زیرا تغییر شکل صاف‌کننده عمدتاً در هسته لوله کشسان و پلاستیک فقط در سطح است. ترک ها در سطح هسته ایجاد می شوند و به میدان تنش پسماند بزرگ تبدیل می شوند. این لایه نازک با فشار زیاد برای شروع SCC عالی است. معمولاً جهت تنش های پسماند به صورت محوری (در امتداد طول لوله) روی سطوح لوله در تماس با غلتک ها است که تنش های محیطی در لبه های تماس غلتکی است. تنش‌های پسماند محوری به‌ویژه برای غلاف بخاری مشکل‌ساز هستند، زیرا در همان جهت تنش حلقه‌ای هستند که در اثر فشار داخلی ایجاد می‌شود، این دو تنش در مجموع تا یک تنش کششی خالص می‌شوند که توسعه شکست را تسریع می‌کند.

کاهش کمی آستانه SCC به دلیل تنش های صاف کننده

آزمایش‌های سیستماتیک لوله 316 در کلرید منیزیم در حال جوش (154 درجه، آزمایش استاندارد SCC) نشان می‌دهد که لوله‌های صاف شده بدون تنش‌زدایی پست-در 20-50 ساعت تحت تنش اعمالی 200 مگاپاسکال از کار می‌افتند. همان لوله در شرایط تنش زدایی (تنش پسماند زیر 30 مگاپاسکال) بیش از 500 ساعت زنده می ماند. در شرایط خدماتی که برای بخاری های غوطه وری - 90 درجه آب با 1000 پی پی ام کلرید اعمال می شود - نتیجه این است که غلاف های قابل توجه. 316 با کاهش تنش در برابر 1000 ppm کلرید به مدت 5 تا 8 سال بدون SCC مقاومت می کنند. غلاف های صاف شده با کرنش های سطحی باقیمانده بیش از 150 مگاپاسکال باعث ایجاد شکستگی SCC در عرض 12 تا 24 ماه در همان سطح کلرید می شود. غلاف های تحت تنش زدایی برای همیشه در غلظت 500 پی پی ام کلرید باقی می مانند. غلاف های صاف شده در عرض 3-5 سال متلاشی می شوند. ترکیب آستانه حیاتی برای شروع SCC بدون اعمال نیروهای صاف کننده 60 درجه و کلرید ppm 300 است. بالاتر از 80 درجه، ترکیب هر غلظت کلرید بالای 200 ppm با تنش های باقیمانده صاف کننده بیش از 100 مگاپاسکال در نهایت منجر به SCC می شود. جدول زیر زمان شروع SCC را به عنوان تابعی از کشش سطحی باقیمانده، غلظت کلرید و دما نشان می دهد.

تنش سطحی باقیمانده از صاف کردن (MPa) غلظت کلرید (ppm) دمای غلاف (درجه) زمان تا شروع ترک SCC (ساعت کار) زمان تا سوراخ شدن (1.5 میلی متر دیوار) اقدام توصیه شده<30 (stress relieved) 1000 90 >70,000 (>8 years) >80000 قابل قبول<30 (stress relieved) 2000 80 >50,000 >60,000 قابل قبول با مانیتورینگ 50-100 (صافی خفیف) 500 90 20,000-30,000 (2.5-3.5 سال) 25,000-40,000 حاشیه; کاهش استرس توصیه می شود
50-100 (صاف کردن خفیف) 1000 80 15,000-20,000 (1.7-2.3 سال) 18,000-25,000 برای استفاده مداوم توصیه نمی شود 100-150 (صافی متوسط) 300 90 10,000-15,000 (1.01-1.000-15,000) (1.1-1.0) غیرقابل قبول بالای 80 درجه 100-150 (صافی متوسط) 500 80 8,000-12,000 (0.9-1.4 سال) 10,000-15,000 قابل قبول نیست
150-200 (صاف شدن شدید) 200 90 3,000-6,000 (4-8 ماه) 4,000-8,000 غیر قابل قبول برای هر کلرید
150-200 (صاف شدن شدید) 500 70 5،000-10،000 (7-14 ماه) 6000-12000 تعویض با لوله بدون استرس
تشخیص و تسکین استرس پسماند صاف کردن

خریدارانی که 316 بخاری محصور شده را برای استفاده از کلرید مشخص می کنند، سه راه برای بررسی وضعیت تنش باقی مانده از صاف کردن دارند. اولین روش استاندارد ASTM G38 برای تولید نمونه های U{3}}خم است. بخشی از لوله{5}}دریافت شده 180 درجه روی یک سنبه خم شده و در کلرید منیزیم در حال جوش غوطه ور می شود. اگر ترک در عرض 100 ساعت رخ دهد، کشش باقیمانده از صاف کردن برای ایجاد SCC بدون تنش اعمالی کافی بود. روش دوم، تشخیص پراش اشعه ایکس (XRD) تنش پسماند روی سطح لوله است. مقادیر بالای 100 مگاپاسکال نشان می دهد که کاهش استرس پس از صاف کردن توصیه می شود. سومین و ساده‌ترین روش، به اصطلاح «آزمایش فروکسیل» (سولفات مس{15}}اچ کردن اسید سولفوریک) است که مناطقی از تنش پسماند قابل توجه را به‌عنوان الگوهای اچ تیره‌تر نشان می‌دهد. کرنش‌های باقی‌مانده زیر 30 مگاپاسکال برای بخاری‌هایی که برای سرویس‌دهی بالای 70 درجه با کلریدهای بالاتر از 200 پی‌پی‌ام در نظر گرفته شده‌اند، با بازپخت تنش‌زدایی پس از صاف کردن در دمای 400-500 درجه به مدت 1-2 ساعت به دست می‌آیند. بازپخت محلول کامل (1040 درجه) به طور کامل کشش های باقیمانده را حذف می کند اما ممکن است باعث اعوجاج لوله شود و معمولاً فقط برای کاربردهای حیاتی مشخص می شود. خریداران می‌توانند پس از صاف کردن، نیاز به تأیید کاهش تنش باشند که توسط تأمین‌کننده لوله انجام می‌شود (یا اینکه صاف کردن روی لوله‌های آنیل شده انجام نمی‌شود) که تضمین کیفیت قابل اجرا را فراهم می‌کند.

شناسایی در حوزه SCC از باقیمانده های صاف کردن

علت صاف کردن باقیمانده ها با شکل ترک ها در هنگام خراب شدن بخاری توسط SCC مشخص می شود. ترک‌ها معمولاً در بخش‌های مستقیم غلاف، نه در خم‌ها یا جوش‌ها، از تنش‌های ایجاد شده در اثر صاف کردن ایجاد می‌شوند. آنها معمولاً طولی هستند (یعنی موازی با محور لوله) و می توانند در تعدادی از خطوط موازی که 5-15 میلی متر از هم جدا شده اند، مطابق با الگوی تماس غلتکی رخ دهند. شکستگی ها ترانس دانه ای (عبور از مرزهای دانه) برای 316 در محیط های کلرید بالای 80 درجه سانتیگراد تحت بزرگنمایی با انشعاب معمولی SCC هستند. سطح شکستگی بسیار انعطاف پذیر نیست. اگر بخاری خراب از دسته ای باشد که پس از صاف کردن تنش کاهش نیافته است و شرایط سرویس شامل کلریدهای بالاتر از 300 ppm در دماهای بالاتر از 70 درجه باشد، احتمالاً علت اصلی تنش پسماند ناشی از صاف کردن است. تمام بخاری‌های باقی‌مانده باید از سرویس خارج شوند یا در صورت امکان با یک درمان تنش‌زدایی اصلاح شوند.

نتیجه گیری: تعریف کنترل استرس پسماند برای سرویس کلرید

نمایه تنش پسماند وارد شده به لوله فولادی ضد زنگ 316 پس از صاف کردن غلتکی، یک متغیر پنهان است که می‌تواند آستانه SCC کلرید را با ضریب 3 تا 5 کاهش دهد. محیط‌های کلرید داغ لوله با کرنش‌های باقی‌مانده سطحی بالاتر از 100 مگاپاسکال را در 1{10} و زمانی که تنش لوله در تمام 0 سال طول می‌کشد، در 1{10}}2 سال می‌شکند. برای هر سرویسی که شامل کلریدهای بالاتر از 200 ppm و دماهای بالاتر از 70 درجه باشد، مهندسانی که 316 بخاری روکش دار را مشخص می کنند باید به یکی از موارد زیر نیاز داشته باشند: تنش زدایی پس از صاف کردن (400-500 درجه برای 1-2 ساعت)، یا تأیید اینکه لوله در شرایط بازپخت مجدد با تنش کاملاً تنظیم شده صاف شده است. چارچوب پیشنهادی می‌تواند برای جلوگیری از شکست‌های ترک اولیه، که معمولاً به "کیفیت مواد" نسبت داده می‌شوند، استفاده شود، اما در واقع به دلیل تنش پسماند مدیریت‌نشده مرتبط با صاف کردن لوله، با مرتبط کردن فرآیند صاف کردن به زمان‌های شروع SCC قابل اندازه‌گیری است.