Onder welke specifieke restspanningswaarde gaat de 316 roestvrijstalen verwarmingsmantel over van passief naar scheurinitiatie in 500 ppm chloorwater bij 25 graden omgevingstemperatuur

Drempelspanning voor SCC met chloride bij kamertemperatuur

In het geval van met 316 roestvrij staal beklede elektrische verwarmingsbuizen in chloridehoudend water bij omgevingstemperatuur (25 graden) in toepassingen zoals onverwarmde opslagtanks, koudwatercirculatiesystemen of seizoensapparatuur, wordt het risico op chloride-spanningscorrosie (SCC) over het algemeen als laag beschouwd, aangezien SCC van austenitisch roestvast staal doorgaans een temperatuur van meer dan 60 graden vereist. Uit daaropvolgende veldfouten en laboratoriumexperimenten is echter gebleken dat 316 kan barsten bij 25 graden in 500 ppm chloridewater in aanwezigheid van voldoende resterende trekspanning, maar de drempelspanning is veel hoger dan bij verhoogde temperaturen. De belangrijkste parameter is de resterende trekspanning tijdens de productie (trekken, buigen, rechttrekken) plus eventuele extra spanning. Bij 25°C wordt er geen scheurvorming waargenomen beneden een drempelspanning in de orde van 80-90% van de vloeigrens van het materiaal (165-185 MPa voor het gegloeide 316 met 205 MPa vloeigrens). Als de spanning dit niveau overschrijdt, ontwikkelen zich scheuren na lange inductieperioden (6 maanden tot 2 jaar) en groeien ze langzaam, waarbij na 2-5 jaar breuk optreedt. Dit artikel geeft de SCC-drempel bij kamertemperatuur van 316 omhulsels in 500 ppm chloridewater.

Het mechanisme van SCC bij lage- temperaturen

Er zijn drie voorwaarden vereist voor SCC van roestvrij staal 316 in chloride: een gevoelige microstructuur (die normaal gesproken wat koudwerk bevat), een aanhoudende trekspanning en chloride-ionen. Bij hoge temperaturen (80-150 graden) is SCC het gevolg van snel chloridetransport, trage repassiveringssnelheden en agressieve chemie aan de scheurtip. Bij 25 graden is de activeringsenergie voor SCC niet nul, maar is de kinetiek aanzienlijk langzamer. Het belangrijkste verschil is dat de spanningsdrempel voor scheuren aanzienlijk toeneemt naarmate de temperatuur daalt. Dit komt door de stijging van de kritische reksnelheid van de breuktip voor actief oplossen, wat hogere uitgeoefende spanningen vereist. Gegloeid 316 bij 25°C in 500 ppm Cl- heeft een drempelspanning van ongeveer 165-185 MPa (80-90% opbrengst). Koud bewerkt 316 heeft een lagere drempelspanning omdat het materiaal een hogere vloeigrens heeft, maar ook een hogere dislocatiedichtheid en mogelijk wat martensiet dat fungeert als scheurinitiatielocaties.

25 graden, 500 ppm chloride bepaalde drempelwaarden voor SCC

De volgende drempelrelaties zijn vastgesteld bij constante belastingstests van 316 roestvrij staal (U--bocht- en C--ringmonsters) in 500 ppm chloridewater (pH 7,0, belucht) bij 25 graden gedurende maximaal 24 maanden (17.520 uur).

Materiaal Conditie Vloeisterkte (0,2% offset, MPa) 25 graden SCC-drempelspanning bij 500 ppm Cl- (MPa) Drempel als % van de vloeitijd tot scheurinitiatie bij drempelwaarde +10% (uren) SCC-risicobeoordeling – 25 graden
Volledig gegloeid (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10.000Extreem laag
Licht koud werk (10-15%) 280 200-230 70-80% 5.000-10.000 Laag
Matig koud werk (15-20%) 350 230-260 65-75% 2.000-5.000 Matig
Zware koudearbeid (20-25%) 420 250-280 60-70% 1.000-2.000 Hoog
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90% 500-2.000 (afhankelijk van overbelasting) Hoog
Drempelwaarde voor kamertemperatuur als functie van de chlorideconcentratie

De drempelspanning wordt verlaagd naarmate het chloridegehalte toeneemt. De drempelspanning voor 25 graden gegloeid 316 als functie van het chloridegehalte wordt in de volgende tabel gegeven.

Chlorideconcentratie (ppm) Drempelspanning voor SCC bij 25 graden (MPa, gegloeid 316) Tijd tot scheurinitiatie bij drempelwaarde +10% (uur) Aanbevolen ontwerplimiet<100 >205 (no cracking at yield) >50.000 (geen gevaar)Onbeperkt
100-200 190-205 20.000-50.000 Zeer laag risico.
200-500 175-190 10.000-20.000 Acceptabel met reststressmanagement
500-1000 160-175 5000-10000 Reststress<70% yield needed 1000-2000 140-160 2000-5000Stress Relief Recommendations 2,000-5,000 110-140 1,000-2,000 316 Not recommended for continuous stress >5,000 <110 <1,000 316 Not recommended; upgrade alloy
Praktische limieten voor restspanningen voor koudwaterservice

Maximale restspanningslimieten worden gegeven voor 316 verwarmingselementen met mantel in chloride-houdend water (200 - 1.000 ppm) bij omgevingstemperatuur (25 graden).

Chlorideconcentratie (ppm) Maximale restspanning (MPa) gedurende een levensduur van 10- jaar Equivalente limiet voor koud werkNabehandeling aanbevolen<200 <205 (full yield) Any None Required
200-500 <150 <25% cold work None for straight portions
200-500 <120 (at bends) <15% extra bend stressStress alleviation for tight bends ( R/D<3)
500-1,000 <120 <15% cold work Stress relief 400oC 1 hr
500-1,000 <100 (at bends) <10% extra strainFull solution anneal after bending >1,000 <80 <5% cold work (just annealed) Full solution anneal necessary
Velddetectie van SCC bij omgevingstemperatuur

Bij een 316-verwarming die niet werkt bij een chloortemperatuur van 25 graden (200-1.000 ppm Cl-), zullen normaal gesproken SCC-scheuren ontstaan ​​na 1-3 jaar continu of intermitterend gebruik. De breuken zijn transgranulair (door korrels) en vertakt, zoals SCC bij hoge temperaturen, maar vaak korter en minder uitgebreid. Het breukoppervlak kan tekenen vertonen van geleidelijke scheurvoortplanting (strandmarkeringen) en weinig corrosieproduct. Vaak ligt de oorsprong op een plaats met aanzienlijke restspanning: de buitenstraal van een bocht, een koudgetrokken gedeelte met aanzienlijke reductie of een door laswarmte beïnvloede zone. Wanneer een defecte sectie wordt gemeten op restspanning door röntgendiffractie, liggen de waarden doorgaans boven de 150-180 MPa. Voor dergelijke storingen is het antwoord het vereisen van spanningsverlichting na de buiging (400 graden gedurende 1 uur) voor toekomstige aankopen, waardoor de restspanning wordt verlaagd tot onder 100 MPa.

Speciaal geval: intermitterende versus continue blootstelling

Bij periodieke blootstelling (droogcycli) bij kamertemperatuur neemt het chloridegehalte toe tijdens het drogen, wat leidt tot versnelde SCC-vorming. Het bulkwater bevat mogelijk slechts 500 ppm chloride. Een verwarming die periodiek mag drogen, kan echter oppervlaktechlorideconcentraties van 5.000-10.000 ppm op de waterlijn hebben, waardoor de drempelspanning wordt verlaagd. Bij intermitterend gebruik bedraagt ​​de toegestane restspanning de helft van die bij continue onderdompeling.

Conclusie: Residuele stressbeheersing voor omgevingschlorideservice

SCC in 316 roestvrij stalen verwarmingselementen in 500 ppm chloridewater van 25 graden bleek op te treden wanneer de aanhoudende trekrestspanning hoger was dan ongeveer 165-185 MPa (80-90% van de opbrengst voor uitgegloeid materiaal). De drempel hiervoor is hoog, maar lokale restspanningen door koudvervorming (buigen, trekken etc.) kunnen groter zijn dan 200-300 MPa, voldoende om na 1-3 jaar bij kamertemperatuur scheuren te veroorzaken. Voor gebruik in chloriden bij kamertemperatuur moeten ingenieurs die 316-omhulsels selecteren rekening houden met post-forming spanningsverlichting (400-450 graden, 1 uur) om de restspanning te verminderen wanneer de chloride 500 ppm overschrijdt of wanneer bochten strakker zijn dan R/D.=3. Voor chlorideniveaus boven 1000 ppm bij 25 graden wordt volledige oplossing uitgloeien of upgraden naar duplex 2205 aanbevolen. De hier voorgestelde aanpak koppelt restspanning aan meetbare SCC-drempels bij kamertemperatuur, waardoor kopers 316 omhulsels kunnen bestellen die bestand zijn tegen chloridescheuren, zelfs bij onverwarmde gebruik.