Hoe verandert het restspanningsprofiel van het rechttrekken van buizen van 316 roestvrijstalen verwarmingsmantels de drempel voor chloride-spanningscorrosiescheuren

Onbedoelde bron: Trekoppervlaktespanning als gevolg van het richtproces.

Het rechttrekken van rollen is vaak de laatste stap in het productieproces van 316 roestvrijstalen omhulde elektrische verwarmingsbuizen voordat ze op lengte worden gesneden en gebogen. Deze procedure verwijdert de kromming van de buis zoals-getrokken (of-gegloeid) door deze door offsetrollen te laten lopen, en introduceert een ingewikkeld restspanningsprofiel op het buisoppervlak. Er worden resttrekspanningen van 50-200 MPa geïntroduceerd in de buitenste 50-150 µm van de mantelwand aan de trekzijde van elk contactpunt van de richtrol. Deze resterende trekspanningen verhogen de toegepaste ringspanning door thermische uitzetting en interne druk in chloridehoudende omgevingen bij verhoogde temperaturen (boven 60 graden) om spanningscorrosiescheuren (SCC) te veroorzaken bij spanningen die veilig zouden zijn voor spanningsvrij materiaal. Dit artikel evalueert de correlatie tussen restspanning als gevolg van rechttrekken, het chlorideniveau en de SCC-initiatietijd, en geeft specificatielimieten voor spanningsverlichting na rechttrekken bij corrosief gebruik.

Mechanisme van de oppervlaktespanning die het rechttrekken veroorzaakt

Roestvrijstalen buizen worden met een rol rechtgetrokken door tussen een reeks verschoven rollen te gaan die de buis in afwisselende richtingen plastisch vervormen. De trekspanningen in de buitenste vezels van de buis variëren in het algemeen van 0,5% tot 2,0%, afhankelijk van de beginkromming en de offset van de richtrol. Een opgelegde plastische treksterkte van 0,5% in gegloeid roestvrij staal 316, met een vloeigrens van ongeveer 205 MPa, komt overeen met een restspanning van 150–200 MPa (75–100% van de vloeigrens). De verdeling van restspanningen is vrij lokaal: de grootste spanningen worden waargenomen in een dunne oppervlaktelaag (20-100 µm diep), omdat de richtvervorming meestal elastisch is aan de buiskern en alleen plastisch aan het oppervlak. Scheuren ontstaan ​​aan het oppervlak en groeien uit tot het grootste restspanningsveld. Deze dunne, sterk belaste laag is perfect voor SCC-initiatie. Gewoonlijk is de richting van de restspanningen axiaal (langs de lengte van de buis) op de oppervlakken van de buis die in contact komen met de rollen, waarbij de omtrekspanningen zich bevinden aan de randen van het rolcontact. Axiale restspanningen zijn vooral problematisch voor een verwarmingsmantel omdat ze in dezelfde richting liggen als de ringspanning die wordt veroorzaakt door de interne druk, waarbij de twee spanningen samen een netto trekspanning vormen die de breukontwikkeling versnelt.

Gekwantificeerde reductie van de SCC-drempel als gevolg van richtspanningen

Systematische tests van 316-buizen in kokend magnesiumchloride (154 graden, gestandaardiseerde SCC-test) tonen aan dat rechtgetrokken buizen zonder post-spanningsverlichting na het rechttrekken binnen 20-50 uur falen onder een uitgeoefende spanning van 200 MPa. Dezelfde slang in spanningsarme toestand (restspanning lager dan 30 MPa) overleeft meer dan 500 uur. In gebruiksomstandigheden die van toepassing zijn op dompelverwarmers - 90 graad water met 1.000 ppm chloride - het resultaat is even significant. 316 omhulsels met spanningsarme weerstand tegen 1.000 ppm chloride gedurende 5-8 jaar zonder SCC. Gestrekte omhulsels met resterende oppervlaktespanningen van meer dan 150 MPa zullen binnen 12-24 maanden SCC-fracturen veroorzaken bij hetzelfde chlorideniveau. Omhulsels onder spanningsverlichting gaan voor altijd mee bij 500 ppm chloride. Rechtgetrokken omhulsels zullen binnen 3-5 jaar versplinteren. De cruciale drempelcombinatie voor SCC-initiatie zonder toepassing van richtkrachten is 60 graden en 300 ppm chloride. Boven 80 graden zal de combinatie van een chlorideconcentratie boven 200 ppm met restspanningen bij het rechttrekken van meer dan 100 MPa uiteindelijk leiden tot SCC. De onderstaande tabel toont de tijd tot SCC-initiatie als functie van de resterende oppervlaktespanning, chlorideconcentratie en temperatuur.

Resterende oppervlaktespanning door rechttrekken (MPa) Chlorideconcentratie (ppm) Manteltemperatuur (graad) Tijd tot SCC Scheurinitiatie (bedrijfsuren) Tijd tot perforatie (1,5 mm wand) Aanbevolen actie<30 (stress relieved) 1000 90 >70,000 (>8 years) >80.000 aanvaardbaar<30 (stress relieved) 2000 80 >50,000 >60.000Aanvaardbaar met monitoring 50-100 (milde straightening) 500 90 20,000-30.000 (2,5-3,5 jaar) 25.000-40.000 Marginaal; stressvermindering aanbevolen
50-100 (licht ontkrullen) 1000 80 15.000-20.000 (1,7-2,3 jaar) 18.000-25.000 Niet aanbevolen voor continu gebruik 100-150 (matig ontkrullen) 300 90 10.000-15.000 (1,1-1,7 jaar) 12.000-18.000 Onaanvaardbaar boven 80 graden 100-150 (matig rechttrekken) 500 80 8,000-12.000 (0,9-1,4 jaar) 10.000-15.000 Niet acceptabel
150-200 (ernstig strekken) 200 90 3.000-6.000 (4-8 maanden) 4.000-8.000 Onaanvaardbaar voor welk chloride dan ook
150-200 (ernstig strekken) 500 70 5,000-10.000 (7-14 maanden) 6.000-12.000 Vervangen door spanningsarme tube
Detectie en verlichting van resterende spanning bij het rechttrekken

Kopers die 316 omhulde verwarmers specificeren voor gebruik met chloride, hebben drie manieren om de restspanningsstatus van het rechttrekken te controleren. De eerste is de ASTM G38-standaardpraktijk voor de productie van U--bochtmonsters. Een deel van de-ontvangen slang wordt 180o gebogen over een doorn en ondergedompeld in kokend magnesiumchloride. Als er binnen 100 uur scheuren optraden, was de restspanning na het rechttrekken voldoende om SCC te veroorzaken zonder uitgeoefende spanning. De tweede techniek is röntgendiffractie (XRD)-detectie van restspanning op het buisoppervlak. Waarden boven 100 MPa suggereren dat spanningsvermindering na het ontkrullen wordt geadviseerd. De derde en gemakkelijkste methode is de zogenaamde 'ferroxyltest' (etsen met kopersulfaat-zwavelzuur), waarbij gebieden met aanzienlijke restspanningen als donkerdere etspatronen worden weergegeven. Restspanningen onder 30 MPa voor verwarmingstoestellen bedoeld voor gebruik boven 70 graden met chloriden boven 200 ppm worden verkregen door post-spanningsvrijgloeien bij 400-500 graden gedurende 1-2 uur. Volledig oplossingsgloeien (1040 graden) verwijdert volledig resterende spanningen, maar kan vervorming van de slang veroorzaken en wordt meestal alleen gespecificeerd voor kritische toepassingen. Kopers kunnen verificatie nodig hebben van de spanningsverlichting die wordt uitgevoerd door de leverancier van de buizen na het rechttrekken (of dat het rechttrekken niet wordt gedaan op gegloeide buizen), wat een afdwingbare kwaliteitsborging biedt.

Identificatie in het domein van SCC uit residuen van rechttrekken

De oorzaak van de richtresten onderscheidt zich door de vorm van de scheuren wanneer een verwarming defect raakt door SCC. Scheuren ontstaan ​​meestal in rechte delen van de mantel, niet in bochten of lassen, als gevolg van spanningen die ontstaan ​​door het rechttrekken. Ze zijn gewoonlijk longitudinaal (dat wil zeggen evenwijdig aan de buisas) en kunnen voorkomen in een aantal evenwijdige lijnen, gescheiden door 5-15 mm, overeenkomend met het rolcontactpatroon. De breuken zijn transgranulair (kruisen korrelgrenzen) voor 316 in chlorideomgevingen boven 80 C onder vergroting met typische SCC-vertakking. Het breukoppervlak is niet erg ductiel. Als de defecte verwarmer afkomstig is uit een partij die niet onder spanning staat na het rechttrekken, en de gebruiksomstandigheden chloriden boven 300 ppm bij temperaturen boven 70 graden omvatten, is de fundamentele oorzaak waarschijnlijk zeker restspanning die wordt gegenereerd door het rechttrekken. Alle overige verwarmingstoestellen moeten voor dergelijke installaties waar mogelijk buiten gebruik worden gesteld of worden aangepast met een spanningsontlastende behandeling.

Conclusies: Definitie van restspanningscontrole voor chlorideservice

Het restspanningsprofiel dat in 316 roestvrijstalen buizen wordt geïntroduceerd na het rechttrekken van de rollen is een verborgen variabele die de chloride-SCC-drempel met een factor 3 tot 5 kan verlagen. Hete chloride-omgevingen zullen buizen met oppervlakteresiduspanningen van meer dan 100 MPa in 1-2 jaar scheuren onder omstandigheden waarbij spanningsarme buizen 5-10 jaar meegaan. Voor elk onderhoud waarbij chloriden boven de 200 ppm en temperaturen boven de 70 graden betrokken zijn, moeten ingenieurs die 316 verwarmingstoestellen met ommanteling specificeren, een van de volgende eisen stellen: spanningsverlichting na het rechttrekken (400-500 graden gedurende 1-2 uur), of certificering dat de buis is rechtgetrokken in volledig uitgegloeide toestand met rolverschuivingen ingesteld om restspanning te minimaliseren. Het voorgestelde raamwerk kan worden gebruikt om vroege scheurfouten te voorkomen, die gewoonlijk worden toegeschreven aan "materiaalkwaliteit", maar in feite te wijten zijn aan onbeheerde restspanningen die gepaard gaan met het rechttrekken van buizen, door het richtproces te relateren aan meetbare SCC-initiatietijden.