Welke maximaal toelaatbare diepte van oppervlakteslijpsporen na centerloze afwerking van 316 verwarmingsbuizen voorkomt het ontstaan ​​van spanningscorrosie in 500 ppm chloorwater van 90 graden

De oppervlaktekras als plaats voor spanningsconcentratie voor SCC-initiatie

De drempel voor het ontstaan ​​van spanningscorrosie (SCC) in chloride-omgevingen voor 316 roestvrijstalen omhulde elektrische verwarmingsbuizen die centerloos zijn geslepen of mechanisch gepolijst als laatste nabewerking om nauwe diametertoleranties of gladde oppervlakken te bereiken, wordt direct bepaald door de diepte van de resterende slijpsporen, normaal gesproken 5-50 µm, afhankelijk van de korrelgrootte en de voedingssnelheid. Elke slijpmarkering is een geometrische spanningsconcentrator, met een theoretische spanningsconcentratiefactor (K_t) variërend van 1,5 voor een gladde, ondiepe markering (diepte<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 µm, wortelradius<2 µm). 500 ppm chloride water at 90 oC. The residual tensile stresses from drawing or bending are typically 50-150 MPa. Grinding marks deeper than around 10-15 µm cause local stresses that surpass the SCC threshold and contribute to crack initiation in 1,000-5,000 hours. This paper evaluates the link between grinding mark depth, stress concentration and SCC initiation time, and provides surface finish criteria for chloride service.

Mechanisme van SCC-initiatie bij oppervlakte-inkepingen

316 Spanningscorrosiescheuren in hete chloriden vereisen drie voorwaarden: een gevoelige microstructuur (meestal wat koud werk), een langdurige trekspanning en een agressieve chlorideomgeving. Aan de basis van een vlakslijpmarkering wordt de lokale trekspanning gegeven door $σ_{local}=σ_{applied}×K_{t}$ waarbij $K_{t}$ een functie is van de geometrie van de markering (verhouding tussen diepte en straal). Een typisch slijpmerkteken met diepte d en wortelradius ρ geeft K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). Een ondiepe, afgeronde deuk (d=5 µm, ρ=10 µm) levert K_t≈1+2×sqrt(0,5)=2.4. Voor een diepe scherpe markering (d=20 $\\mu$m, $\\rho$=2 $\\mu$m) schatten we $K_t\\ca. 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . Voor een toegepaste restspanning van 100 MPa is de lokale spanning 240-730 MPa - boven de vloeigrens van 205 MPa en tot ver in het gebied waar SCC snel optreedt. Een scheur begint bij de spanningsconcentratie en vordert via anodische oplossing aan de scheurpunt, aangedreven door de uitgeoefende spanning totdat de mantelwand wordt doorboord.

Kwantitatieve relatie tussen slijpmarkeringsdiepte en SCC-initiatie

Gecontroleerde SCC-tests (continue belasting, U--buig- of C--ringmonsters) van 316 buizen met gecontroleerde diepte-oppervlakteslijpmarkeringen (bewerkstelligd door wijziging van de schuurkorrel en voedingssnelheid) in 500 ppm chloridewater van 90 graden hebben de essentiële diepten voor het starten van SCC binnen bepaalde tijdsperioden vastgesteld.

Maximale slijpdiepte (μm) Typische oppervlakteruwheid (Ra, µm) Markwortelradius (μm, typisch) Spanningsconcentratiefactor (K_t) Tijd tot SCC-initiatie (uren, 500 ppm Cl-, 90 graden, 100 MPa restspanning) Tijd tot perforatie (1,5 mm wand na initiatie) Aanbevolen voor 500 ppm Cl-, 90 graden service<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30.000 Ja (elektrolytisch gepolijst equivalent)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10,000-20,000 15,000-25.000 Ja 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5,000-10,000 8,000-15.000 Acceptabel 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500-5,000 4,000-8.000 Marginaal 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1.000-2,500 2.000-4.000 Niet aanbevolen
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1,000-2,000 Niet acceptabel
20-30 1.5-2.0 2-3 6.0-8.0 200-500 400-1,000 Unacceptable30 >2.0 <2 >8.0 <200 <400 Unacceptable 
De invloed van het niveau van restspanning op de toegestane merkdiepte

De toegestane diepte van slijpsporen varieert sterk afhankelijk van de resterende trekspanning van de mantel. Hogere restspanningen vereisen ondiepere markeringen om SCC te voorkomen. De maximaal toegestane markeringsdiepte voor veel restspanningsniveaus, 500 ppm Cl⁻, 90 graden, wordt weergegeven in de onderstaande tabel.

Residuele trekspanning (MPa) Maximaal toegestane slijpmarkeringsdiepte voor 10.000-uur SCC-vrije levensduur (µm) Vereiste oppervlakteruwheid (Ra, µm) Aanbevolen afwerkingsmethode<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (tekening)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (matige tekening)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (zoals-gebogen, geen spanningsverlichting)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Praktische specificaties voor chloorafwerking

De volgende criteria voor oppervlakteafwerking worden aanbevolen voor 316 verwarmingstoestellen met mantel voor gebruik in chloorwater boven 200 ppm bij temperaturen boven 80 graden, gebaseerd op de geschatte restspanningstoestand.

Eindverwerkingsmethode Maximale slijpmarkeringsdiepte Maximale Ra Controlemethode Restspanningstoestand
Spanningsarm (gegloeid na vervormen) Centerloos geslepen, korrel 400-600 10 µm 0,5 µmVisueel + profielmeter 50×
Zoals getrokken of gebogen (geen spanningsverlichting) Fijn geslepen + mild gepolijst 5 µm 0,3 µm Profilometer
Hoge chloriden Zoals getekend Als gebogen Elektrolytisch polijsten (verwijder 20-30 µm)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Alle, voor kritieke serviceElektropolish + passivatie0 (markeringen volledig verwijderd)<0.1 µmComplete surface inspection
Veldidentificatie van de SCC veroorzaakt door slijpmarkering

Voor verwarmingstoestellen die door SCC in chloridegebruik zijn uitgevallen, moet het breukoppervlak worden onderzocht op de plaats van oorsprong van de breuk. Bij vergroting (100-500×) zal het ontstaanspunt van de scheur vaak samenvallen met een slijpvlek of kras. De markering zal worden gezien als een scherp gedefinieerde groef, waarbij vaak corrosieproducten bij voorkeur in de groef worden opgevangen. De SCC-scheuren planten zich loodrecht voort in de richting van de slijpmarkering (als de markeringen in de omtrekrichting zijn, zijn de scheuren axiaal, en als de markeringen axiaal zijn, zijn de scheuren gewoonlijk in de omtreksrichting maar kunnen ze de markering volgen). Als er slijpsporen aanwezig zijn en de gebruiksomgeving chloriden van meer dan 200 ppm en temperaturen van meer dan 80 graden bevat, moet er sprake zijn van SCC als gevolg van slijpsporen. Het antwoord is om elektrolytisch gepolijste of fijngepolijste oppervlakken te vereisen voor toekomstige aankopen, en om de huidige verwarmingselementen buiten gebruik te stellen of het omhulseloppervlak op zijn plaats te polijsten als dit toegankelijk is (zelden haalbaar).

Conclusie: Grenzen aan de slijpmarkeringsdiepte voor chloridegebruik

Grinding markings >10-12 µm zorgen voor spanningsconcentrators en verlagen de SCC-initiatietijd voor 316 roestvrijstalen verwarmingselementen in 500 ppm chloridewater bij 90 graden van 20,000+ uur naar 2000-5000 uur. SCC begint binnen 500-1000 uur onder de normale restspanningsniveaus op diepten dieper dan 20 µm. Voor chloridetoepassingen moeten ingenieurs die 316-mantels selecteren een maximale diepte van de slijpsporen specificeren (bijv. kleiner dan of gelijk aan 8 µm), of een gelijkwaardige maximale oppervlakteruwheid (bijv. Ra kleiner dan of gelijk aan 0,5 µm) en om verificatie door middel van profilometrie vragen. Voor de meest vijandige chlorideomstandigheden of waar restspanningen niet kunnen worden geminimaliseerd, verwijdert elektrolytisch polijsten om de koudbewerkte, bekraste oppervlaktelaag te verwijderen de spanningsconcentratoren die gepaard gaan met slijpsporen volledig. De hier voorgestelde aanpak relateert de diepte van de slijpmarkering aan meetbare SCC-initiatiemomenten, waardoor de koper oppervlakteafwerkingstechnieken kan specificeren die voortijdige scheurinitiatie bij oppervlaktedefecten voorkomen.