Чи перетворює холодне згинання труб-оболонок із нержавіючої сталі 316 для U-подібних занурювальних нагрівачів залишковий аустеніт у-індукований мартенсит і прискорює пітінг у воді з низькою-хлоридною-високою{4}}температурою?

У стандартних вимогах до корозії зазвичай не враховується металургійний ризик формування U--подібних або спеціально зігнутих електричних нагрівальних труб з нержавіючої сталі 316. Процес згинання, особливо при використанні малих радіусів на холоднотягнутих трубах, призводить до пластичної деформації, яка перетворює метастабільний нерозповсюджений аустеніт у мартенсит, викликаний деформацією. Цей перехід зменшує еквівалентну кількість ефективного опору точці (PREN) вигнутої ділянки, навіть якщо основний матеріал технічно задовольняє вимоги до складу 316. Електрохімічне випробування експериментальних даних показує, що критичні температури пітінгу (CPT) у холодно зігнутих частинах оболонок з нержавіючої сталі 316 можуть бути на 15-25 градусів нижчими, ніж у розігнутих ділянках за тієї ж температури. У програмах, де вода має низький вміст хлоридів, але високу температуру (наприклад, від 80 до 95 градусів C, від 50 до 100 частин на мільйон Cl⁻), це зменшення зазвичай переміщує вигнуту зону з пасивного стану в активний точковий стан протягом місяців експлуатації, викликаючи передчасний вихід нагрівача з ладу. У цій статті оцінюється зв’язок між радіусом вигину, фракцією мартенситу, спричиненою деформацією, і схильністю до точкової корекції, а також надається основа вибору для інженерів-конструкторів, які визначають занурювальні нагрівачі з нержавіючої сталі 316 для помірно суворих водних середовищ.

Металургійний механізм деформації-індукованого мартенситу в холодногнутій нержавіючій сталі 316
Аустенітна структура нержавіючої сталі 316 є термодинамічно стабільною лише при певній енергії дефекту упаковки. Нижче початкової температури мартенситу (Ms) механічна деформація є процесом холодної обробки, під час якого підведеної енергії достатньо, щоб викликати зсувний перехід від гране{2}}кубічного аустеніту ($\\gamma$) до об’ємно-тетрагонального мартенситу ($\\alpha'$). Температура Ms нержавіючої сталі 316 становить приблизно -40 градусів. Однак мартенсит, спричинений деформацією, спостерігається при кімнатній температурі для справжньої пластичної деформації понад критичну величину. Згинання створює навантаження на зовнішні волокна оболонки та стискає внутрішні волокна. ε=t/2R, де R — радіус вигину до центральної лінії труби, t — товщина стінки, а ε — максимальна пластична деформація на стороні розтягування. Для двовимірного вигину стандартної труби з зовнішнім діаметром 12 мм і товщиною стінки 1,2 мм до радіуса центральної лінії 24 мм зовнішня деформація волокна становить 0,05 (5%). При радіусі 15 мм (вигин 1,25 D) деформація зростає до 0,08 (8%). Вимірювання за допомогою ферископа Фішера показують, що в нержавіючій сталі 316 деформація розтягу 5% призводить до приблизно 8-12% a' мартенситу, а деформація 8% призводить до 15-25% мартенситу.

Виробництво мартенситу має подвійний вплив на корозійну стійкість. По-перше, мартенсит менш розчинний у хромі та молібдені, ніж аустеніт, і призводить до утворення збіднених хромом плям на межі фаз. По-друге, мартенсит є катодною фазою по відношенню до аустеніту, що призводить до утворення гальванічних мікроелементів і анодного розчинення сусіднього аустеніту. Потенціодинамічне поляризаційне сканування в 100 ppm розчині хлориду при 80 градусах вказує на те, що холодногнута нержавіюча сталь 316 з 15% мартенситу має потенціал точкової корекції +150 мВ порівняно з Ag/AgCl, тоді як той самий матеріал у повністю рекристалізованому стані має потенціал точкової корекції +350 мВ. Зміна на 200 мВ означає, що зігнута область потребує набагато меншої анодної поляризації для виникнення ямок.

Кількісне співвідношення між радіусом вигину та стійкістю до точкової стійкості
Нагрівачі U-форми 316 з нержавіючої сталі (товщина 1,5 мм, діаметр 12 мм) були піддані експериментам із контрольованим зануренням у синтетичну охолоджуючу воду (80 ppm Cl−, 200 ppm SO42−, рН 7,2, 85 градусів), щоб продемонструвати моделі поломок як функцію радіуса вигину: кожен нагрівач працював із поверхневим тепловим потоком 8 Вт/см 2 . Порушення було визначено як перфорація внаслідок виїмки на вершині зовнішнього вигину.

Радіус вигину 36 мм (3D, деформація≈3,3%): середня точкова поломка після 2100 годин. Вміст мартенситу на зігнутій вершині 6% Ініціація з кількох сайтів, повільне поширення.

Радіус вигину 24 мм (2D, деформація 5,0%): середній точковий руйнування після 1150 год Вміст мартенситу: 11% Ямки зароджуються переважно на піках бічної деформації розтягування.

Радіус вигину 18 мм (1,5D, деформація 6,7%). Середня точкова руйнування 550 годин. вміст мартенситу 18 %; Місцева корозія в кільці 2 мм на зовнішньому згині.

Радіус вигину 12 мм (1D, деформація 10%): середнє точкове руйнування через 180 год. Вміст мартенситу: 27 %. Швидка перфорація з розтріскуванням у деяких випадках.

У застосуваннях із вищими концентраціями хлоридів (300-500 ppm) у технологічній воді термін служби пітингу на кожному радіусі вигину зменшується ще в 2-3 рази. З іншого боку, для температури води нижче 50 градусів прискорення пітінгу, викликаного мартенситом, є незначним, оскільки критична температура пітінгу вища за робочу температуру навіть для зігнутих секцій.

Термічні та механічні ефекти локалізованого пітингу на вигинах.
Конструкція, яка зосереджує напругу на радіусі вигину, робить несправність точкової ямки особливо неприємною. Коли ямка прориває стінку оболонки, внутрішній нагрівальний елемент (зазвичай дріт NiCr або FeCrAl) піддається впливу технологічної рідини. У водяних системах це призводить до негайного замикання на землю та відключення нагрівача. Однак ізольовані гарячі точки виникають у ямках часткової-товщини ще до повної перфорації через вищий термічний опір і локалізовану густину струму в товщині стінки, що залишилася біля основи ямки. Інфрачервона термографія обігрівача з 30% проникненням у стінку на згині вказує на підвищення температури поверхні на 35–50 градусів порівняно з температурою оболонки навколо згину. Ця гаряча точка посилює корозію та може спричинити-вигоряння дроту внутрішнього опору через локальне перегрівання. Навіть у системах, що працюють під тиском, виїмка неповної глибини може слугувати фактором підвищення напруги та ініціювати втомні тріщини, коли нагрівач піддається термічному циклу.

Залишкові напруги розтягування, викликані згином, також викликають корозійне розтріскування під напругою (SSC) за певних умов. Поєднання залишкової напруги розтягування (зазвичай 100-250 МПа на згині зовнішнього волокна), мартенситу та підвищеної температури спричиняє синергічний механізм руйнування в умовах, що містять хлорид, для нержавіючої сталі 316. Історії випадків доступні для хімічних реакторів періодичної дії, де U--подібні 316 нагрівачі, зігнуті до 1,5D радіусів у 200 ppm Cl-сервісу при 95 градусах, виходили з ладу через трансгранульний SCC через 300 годин, тоді як ідентичні нагрівачі, зігнуті до 3D радіусів, працювали майже 3000 годин без тріщин.

Керівництво з вибору радіуса вигину за рівнем хлориду та робочою температурою
Наступна матриця рішень допомагає інженерам визначати мінімальні радіуси вигину для U-подібних і спеціально-формованих електричних нагрівальних трубок із нержавіючої сталі 316. Для кожної комбінації концентрації хлориду та максимальної температури оболонки надається рекомендоване мінімальне співвідношення R/t (радіус вигину, поділений на зовнішній діаметр труби), щоб обмежити розвиток мартенситу менше ніж 5%.

Максимальна концентрація хлориду (ppm) Максимальна температура оболонки (градуси) Рекомендований мінімальний радіус згину (кратний зовнішньому діаметру труби) Прогнозований піттинг-Термін служби (годин) Чи потрібна вам термічна обробка після-згинання?
< 50 < 60 2.0 D > 5000 No 50 – 100 < 60 2.0 D > 4000 No 50 – 100 60 – 90 2.5 D > 3000 No 50 – 100 90 – 110 3.0 D > 2000 Recommended (solution anneal if possible)
600 > 90 4.0 D > 600 Необхідно + розглянути можливість оновлення сплаву (Incoloy 825) > 600 > 100 4.5 D > 500 Необхідно + розглянути можливість оновлення сплаву (Incoloy 825) > 600 > 100 5.0 D > 400 Необхідно + розглянути можливість оновлення сплаву (Incoloy 825) > 600 > 100 6.0 D > 300 Необхідно + розглянути можливість оновлення сплаву (Incoloy 825) > 600 > 100 7.0 D > 200 Необхідно + розглянути можливість оновлення сплаву (Incoloy 825) > 600 > 100 8.0 D > 100 Необхідно + розглянути можливість оновлення сплаву (Incoloy 825) 600 будь-яка температура Не холодно зігніть, використовуйте прямі нагрівачі або гаряче{31}}сформовані згини Не підходить Використовуйте прямі 316 або перейдіть до більш міцного сплаву
Для застосувань, які вимагають компактних U-згинів менше ніж 2,5D в умовах помірного хлориду, виробники можуть використовувати процедуру відпалу після-згину в розчині, нагрівання до 1050 градусів із подальшим швидким гартуванням у воді для рекристалізації напруженої структури та видалення мартенситу. Однак розчин-відпал готових вузлів нагрівача зазвичай неможливий, оскільки внутрішній нагрівальний елемент і кінцеві ущільнювачі не витримують таких температур. За таких обставин практична відповідь полягала б у визначенні більшого радіуса вигину або більш гнучкого, але стійкого до корозії, такого як 316Ti (до якого додано титан для стабілізації карбідів і меншої схильності до утворення мартенситу).

Додаткові кроки для зменшення корозії,-пов’язаної з вигином
Якщо конструктивні обмеження вимагають вузького радіуса вигину на оболонці з нержавіючої сталі 316, три технічні методи можуть частково відновити стійкість до корозії. Деформація в зовнішньому волокні пропорційна t/R. Таким чином, чим товщі стінки труби перед вигином, тим менше деформація зовнішнього волокна для даного радіуса вигину. Труба зі стінкою 1,8 мм, зігнута до радіуса 1,5 D, має меншу деформацію, ніж труба зі стінкою 1,2 мм, зігнута до того ж радіуса. Це призводить до зниження виробництва мартенситу приблизно на 30%. По-друге, використання 316L з низьким вмістом вуглецю (максимум 0,03% C) на відміну від 316 (0,08% C) збільшить стійкість до сенсибілізації під час згинання та будь-якого подальшого зварювання, але не запобігатиме утворенню мартенситу. По-третє, операція електрополірування після вигину усуває тонкий поверхневий шар (20–50 мкм) із максимальною щільністю мартенситу та дефектами,-спричиненими деформацією. Електрохімічні випробування вказують на те, що електрополірування 1,5D згину призводить до виразкового потенціалу в межах 50 мВ від розігнутого стану та збільшує термін служби в три рази порівняно з неполірованими згинами.

Радіуси вигину для важких занурювальних нагрівачів з нержавіючої сталі 316
Інженери-проектувальники, які запитують ціни на U--подібні або зігнуті на замовлення електричні нагрівальні труби з нержавіючої сталі 316, повинні вказати мінімальний радіус вигину в кратних розмірах зовнішнього діаметра труби, очікувану концентрацію хлориду та максимальну робочу температуру технологічної рідини. Не вірте, що стандартний радіус вигину виробника підходить для вашого хімічного складу води (зазвичай 2D або 1,5D). Для нових установок з жорсткістю води та рівнем хлориду, типовим для міського водопостачання (50-150 ppm Cl-, 60-80 градусів робочої температури) забезпечте мінімальний 3D-радіус вигину, щоб забезпечити концентрацію мартенситу нижче 5% і передбачуваний-термін служби без пітингу понад 10 000 годин. Якщо обмеження простору вимагають вигину щільніше ніж 2,5D, попросіть постачальника провести вимірювання-деформації мартенситу (феритоскоп або рентгенівська дифракція) на вигинах зразка та розглянути можливість електрополірування або процедури зняття напруги після згину. Розглядаючи радіус вигину як конструктивну змінну нарівні з товщиною стінки та поліруванням поверхні, інженери-технологи можуть запобігти передчасним поломкам, які виникають не через прямі ділянки, а через вразливе зовнішнє волокно кожного згину.