چگونه درصد کاهش کشش لوله روی غلاف بخاری فولادی ضد زنگ 316 عدد معادل مقاومت حفره ای را در محلول های کلرید تغییر می دهد

تأثیر تغییر شکل مکانیکی بر شیمی فیلم غیرفعال و توزیع ادغام

The manufacturing history of 316 stainless steel sheathed electric heating tubes, particularly the percentage reduction due to cold drawing to which the tubing is subjected prior to the final annealing, has a measurable, but often ignored, effect on the intrinsic pitting resistance of the material in chloride containing media. The pitting resistance equivalent number (PREN = weight percent Cr + 3.3×Mo + 16×N) is computed from bulk chemistry and is generally a constant material attribute for a specific alloy grade . But cold drawing redistributes non-metallic inclusions, refines the grain structure and may change the effective concentration of chromium and molybdenum at the tube surface by strain-induced diffusion. High reduction percentages (>40-50٪ می تواند منجر به پارگی آخال های عظیم سولفید منگنز، ایجاد شکاف های کوچکی شود که بدون توجه به PREN حجیم، مکان های مطلوبی برای شروع حفره هستند. در این مقاله، تأثیر درصد کشش لوله بر مقاومت مؤثر حفره‌ای 316 غلاف در محلول‌های کلرید گرم اندازه‌گیری می‌شود و یک چارچوب مشخصات برای انتخاب کاهش کشش بر اساس شدت خوردگی توصیف می‌شود.

رابطه متالورژیکی بین کار سرد و حساسیت به حفره

هنگامی که لوله فولادی ضد زنگ 316 به سرد کشیده می شود تا قطر بیرونی و ضخامت دیواره کاهش یابد، ترکیب شیمیایی عمده با تغییر شکل پلاستیک بدون تغییر باقی می ماند. با این حال، سه ویژگی ریزساختاری را تغییر می دهد که بر خوردگی موضعی تأثیر می گذارد. اولین اثر تغییر شکل، طویل شدن آخال های غیر فلزی، عمدتاً MnS و خوشه های اکسید، در جهت کشش است. آخال‌های دراز، رابط پیوسته بزرگ‌تری با ماتریس آستنیتی اطراف دارند و از این رو، امکان ایجاد یک گودال در یک انکلوزیون را افزایش می‌دهند تا به جای بازیابی مجدد در امتداد مرز انکلوژن-ماتریس گسترش یابد. ثانیاً، آخال‌های MnS بزرگ با کار سرد سنگین شکسته می‌شوند (کاهش بیش از 40 درصد) برای ایجاد ریزترک‌هایی که با بازپخت بعدی ترمیم نمی‌شوند مگر اینکه دما بالاتر از 1050 درجه باشد. این ریزترک‌ها به‌عنوان شکاف‌هایی برای نگهداری یون‌های کلرید و حفظ شیمی تهاجمی موضعی عمل می‌کنند، بنابراین در پتانسیل‌های بسیار پایین‌تر از پتانسیل حفره‌ای حجیم شروع به حفره‌کردن می‌کنند. سوم، کار سرد، چگالی نابجایی را سه تا چهار مرتبه از حدود 10{sup 8} cm{sup-2} در مواد آنیل شده به 10{sup 11} به 10{sup 12} cm{sup -2} در مواد 40% سرد افزایش می‌دهد. نابجایی ها مناطقی با انرژی بالا هستند که در آن لایه غیرفعال نازک تر و معیوب تر است و بنابراین نسبت به تجزیه ناشی از کلرید حساس تر است. تأثیر خالص این است که دو لوله با PREN برابر از شیمی حجیم می توانند تغییرات دمایی حفره ای 10-15 درجه سانتیگراد را داشته باشند، صرفاً به دلیل تفاوت در درصد کاهش کشش سرد اعمال شده قبل از بازپخت نهایی.

بازپخت پس از ترسیم به عنوان یک مرحله مهم ترمیمی

از دست دادن مقاومت حفره ای ناشی از کار سرد دائمی نیست. بازپخت کامل محلول در 1040-1100 درجه و خاموش شدن سریع آب منجر به تبلور مجدد ساختار دانه، حذف نابجایی ها و کروی شدن آخال های کشیده می شود. بازپخت مقاومت حفره‌ای یک لوله بسیار سرد-را به مقاومت لوله‌ای که کمی کشیده شده با همان شیمی حجیم باز می‌گرداند. اما روش صنعتی ساخت غلاف بخاری بسیار متفاوت است. برخی از تولیدکنندگان لوله را تا ابعاد نهایی می‌کشند و شمش توخالی اولیه را تا 60-70 درصد کاهش می‌دهند، سپس قبل از برش به طول و خم شدن آنیل می‌کنند. برخی دیگر چندین بار با بازپخت میانی، لوله را در حالت نیمه سخت یا ربع{25}}نیم{21}}سخت یا ربع{25}} (10-25 % کار سرد) بدون بازپخت کامل کامل، با تکیه بر گرمای جوشکاری آینده و خم شدن برای رها شدن نسبی کشش، طراحی می‌کنند. برای روش دوم، کار سرد باقیمانده (معمولاً 25-10 درصد) مقدار معادل مقاومت حفره ای مؤثر را 2-4 امتیاز کاهش می دهد. در عمل، لوله با PREN حجیم=25 (به عنوان مثال. 17%Cr, 2.2%Mo, 0.06%N) در شرایط کار سرد مانند PREN=22-23 عمل می‌کند که باعث کاهش دمای بحرانی حفره‌ای 8-12 درجه می‌شود. در 80 درجه و غلظت کلرید یکسان، حفره روی لوله سرد کار شده رخ می دهد، در حالی که لوله کاملا آنیل شده غیرفعال خواهد بود.

کمی سازی اثر کاهش کشش بر دمای حفره و زمان القاء

اتصالات کمی از آزمایش آزمایشگاهی لوله های فولادی ضد زنگ 316 با کاهش کشش کنترل شده و اندازه گیری های پتانسیل حفره ای بعدی در 1 مولار NaCl در 80 درجه ایجاد شده است. برای مواد کاملاً آنیل شده (0{11}}5% کار سرد) پتانسیل حفره‌ای بحرانی معمولاً 300-350 میلی‌ولت در مقابل SCE است و دمای حفره‌ای بحرانی (CPT) در 1 مولار NaCl 55-65 درجه است. برای مواد با 15% کار سرد (یک چهارم{32}}سختی) CPT به 48-55 درجه کاهش می یابد. برای 25% کار سرد (نیمه سخت) حتی به 40-48 درجه کاهش می یابد. برای 40% کار سرد (کامل-سخت) CPT به 30-38 درجه کاهش می یابد. برای سرویس دهی، یک غلاف 316 که به درستی آنیل شده باشد، به مدت 5 تا 8 سال در آب کلرید ppm 2000 در دمای 90 درجه، هیچ حفره ای نشان نخواهد داد. با همان شیمی توده ای و 25 درصد کار سرد باقیمانده، حفره زدن در 12 تا 24 ماه در شرایط سیال یکسان آغاز می شود. زمان القاء تا شروع حفره با درصد کار سرد نمایی است. هر 5 درصد افزایش در کار سرد حدوداً زمان اولین گودال را در یک محیط با دمای کلرید معین به نصف کاهش می دهد. جدول زیر این روابط را برای یک شیمی معمولی 316 (PREN=25) برای انواع غلظت‌های کلرید و دماهای عملیاتی نشان می‌دهد.

Residual Cold Work after Drawing (%) Heat Treatment after Drawing Effective PREN (calculated) Critical Pitting Temperature in 2000 ppm Cl⁻ (°C) Time to Pit Initiation at 90 °C, 500 ppm Cl⁻ Recommended Service Environment 0-5 (completely annealed) Full solution anneal 1040 °C + quench 25 58 >8 سال خدمات کلریدی تا 3000 پی پی ام، 90 درجه 5-10 تنش زدایی جزئی فقط 24-25 53-58 5-8 سال قابل قبول برای کلریدهای متوسط ​​(<1500 ppm) 
10-15 بدون آنیل. به عنوان یک چهارم سخت 23-24 48-533-5 سال خدمات کلرید (<800ppm)
15-20 بدون آنیل، کشیده شده نیمه سخت 22-23 44-48 2-3 سال حاشیه، فقط کلرید کم (<400 ppm)
20-25 بدون آنیل، سخت کشیده21-22 40-44 12-24 ماه برای کلر سرویس مداوم مناسب نیست
25-35 بدون آنیل. کاملاً سخت 19-21 34-40 6-12 ماه برای هر محیط کلرید مرطوب غیر قابل قبول است
Any , post anneal Full solution anneal after all drawing Full PREN restored 55-65 (depends on bulk chemistry) >8 سال (وابسته به PREN حجیم) استاندارد ترجیحی برای کلیه خدمات خورنده
تأیید عملی وضعیت کار سرد و کفایت آنیل

سه راه عملی برای خریداران 316 بخاری محصور شده برای استفاده از کلرید وجود دارد تا اطمینان حاصل شود که لوله به طور کامل آنیل شده و حداقل کار سرد باقی مانده را دارد. اولین مورد اندازه گیری نفوذپذیری مغناطیسی با استفاده از فریتسکوپ است. فولاد زنگ نزن آستنیتی 316 کاملا آنیل شده غیر مغناطیسی با نفوذپذیری نسبی (μr) کمتر از 1.02 است. مارتنزیت ناشی از کرنش-که فرومغناطیسی است، در فرفورژه 316 سرد تشکیل می‌شود. مقدار بالای 1.05 حداقل 10-15% کار سرد را پیشنهاد می‌کند، در حالی که 1.10 20-25% کار سرد را توصیه می‌کند. روش دوم تست میکروسختی بر روی بخشی از دیواره لوله است. Annealed 316 دارای سختی Vickers 150-180 HV است. مواد یک چهارم سخت 200-240 HV است. نیمه هارد 250-300 HV است. فول هارد 320 HV و بالاتر است. آزمایش سوم یک تست فعال سازی مجدد پتانسیوکینتیک الکتروشیمیایی (EPR) است که میزان حساسیت و آسیب کار سرد را اندازه گیری می کند. مقادیر EPR کمتر از 0.5 C/cm2 نشان دهنده مواد کاملا آنیل شده است، در حالی که مقادیر بیشتر از 2.0 C/cm2 نشان دهنده تغییر شکل باقیمانده قابل توجه است. مشخصات گواهی بازپخت کامل محلول (دما، زمان و روش کوئنچ) به همراه حداکثر نفوذپذیری مغناطیسی 1.05 در مشخصات خرید تضمین کیفیت قابل اجرا را ارائه می دهد.

رابطه کار سرد، جوشکاری و احتمالات آنیل نهایی

یک محدودیت معمولی در تولید این واقعیت است که بازپخت کامل محلول همیشه پس از خمش و جوش امکان پذیر نیست. بخاری‌های لوله بلند U{{1}، به‌ویژه آن‌هایی که دارای فلنج‌ها و حفره‌های حرارتی متصل هستند، عملاً نمی‌توانند آنیل شوند، زیرا دمای بالا مجموعه را مخدوش می‌کند، MgO داخلی را اکسید می‌کند یا به اجزای غیرفلزی آسیب می‌رساند. در این موارد مهمترین عامل برای مقاومت نهایی در برابر خوردگی، حالت سرد کار لوله خام قبل از شکل دهی است. اگر قرار باشد لوله قبل از خمش در شرایط کاملا آنیل شده (0 تا 5 درصد کار سرد) تحویل داده شود، حتی با اضافه شدن 10 تا 15 درصد کار سرد از عملیات خمکاری، کرنش باقیمانده نهایی کمتر از 20 درصد خواهد بود. برای بخاری‌هایی که باید در حالت خمیده بدون آنیل نهایی استفاده شوند، انتخاب لوله‌هایی با محتوای مولیبدن بالاتر (مثلاً{12}}L با 2.5-2.7 % مو به‌جای حداقل 2.0 %) افزایش جبران‌کننده‌ای در PREN حجیم ارائه می‌دهد. یک لوله با PREN حجیم=27 و 15% کار سرد باقیمانده دارای PREN موثر ≈ 25 است، مانند استاندارد 316 کاملاً آنیل شده. این رویکرد استفاده از شیمی درجه یک برای جبران محدودیت‌های ساخت، برای مجموعه‌های بخاری بزرگ و پیچیده پس از مجموعه‌های بخاری پیچیده که در آن پارچه‌سازی گزینه‌ای نیست، معمول است.

نتیجه گیری - تعریف شرایط بازپخت با شیمی برای سرویس خورنده

مقاومت حفره‌ای بخاری‌های غلاف فولادی ضد زنگ 316 در محلول‌های کلرید تابعی از PREN فله‌ای نیست که فقط در گواهی کارخانه گزارش شده است. کاهش کشش سرد که در طول ساخت لوله استفاده می‌شود و اینکه آیا لوله پس از تمام عملیات شکل‌دهی یک محلول کامل بازپخت داده می‌شود، می‌تواند دمای موثر حفره‌کردن را 10{7}}20 درجه تغییر دهد و زمان شروع گودال را با ضریب 5-10 تغییر دهد. برای بخاری های سرویس مداوم در کلریدهای بالای 500 ppm یا در دماهای بالاتر از 80 درجه، خریدار باید به دنبال گواهی باشد که غلاف تکمیل شده (شامل خم ها و جوش ها) کاملاً با محلول آنیل شده است. هنگامی که بازپخت پس از ساخت عملی نیست، استفاده از شیمی ممتاز (316 لیتر با PREN بزرگتر یا مساوی 26) و نیاز به ورود به شرایط آنیل شده لوله (سختی <180 HV، نفوذپذیری کمتر یا مساوی 1.02) یک گزینه معقول است. پارادایم توسعه یافته در این مقاله، درصد کاهش کشش لوله و تاریخچه بازپخت را با مقاومت حفره‌ای قابل مشاهده مرتبط می‌کند. این امر به مهندسان امکان می‌دهد تا 316 گرمکن غلاف‌دار را انتخاب کنند که عملکرد خوردگی قابل پیش‌بینی را ارائه می‌دهند، نه اینکه فقط به شیمی عمده وابسته باشند.