Як товщина стінки оболонки з нержавіючої сталі 316 впливає на розподіл залишкового напруження після обтиснення та його вплив на довговічність від корозії в морському середовищі?

Корозійна втома є особливо агресивним механізмом відмови для електричних занурювальних нагрівачів, визначених морськими інженерами для морських платформ, суднових систем і прибережних промислових установок, коли циклічне механічне навантаження та хлоридна корозія поєднуються. Корозійна втома призводить до виникнення тріщин при значно менших амплітудах напруги та коротшому терміні служби, ніж чиста втома на повітрі або чиста корозія в статичних умовах. Залишкові напруги, створювані обтиском (що ущільнює ізоляцію з оксиду магнію навколо опорного дроту), взаємодіють із робочими напругами та прискорюють або сповільнюють утворення руйнувань залежно від їх знака та величини. У цій статті кількісно оцінюється вплив товщини стінки оболонки на розподіл залишкової напруги після тиснення та вплив цих залишкових напруг на довговічність корозійної втоми в морському середовищі.

Утворення залишкової напруги при обтиску оболонок 316
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1,8 мм) сила тиснення поглинається в основному зовнішніми шарами, а великі стискаючі напруги виникають лише біля зовнішньої поверхні, внутрішні шари відносно не зачіпаються. Розтягуючі напруги на внутрішній поверхні також зменшуються через менш повне ущільнення MgO. Дослідження рентгенівської дифракції залишкової напруги в штампованих оболонках 316 підтверджують цю кореляцію. Для оболонки стінки 0,9 мм поверхневе напруження стиску становило -280 МПа. Оболонка стінки товщиною 1,5 мм мала -180 МПа. 2.0 стінка оболонки мм виявила лише -120 МПа. Тонша оболонка має більш сприятливу напругу стиску на зовнішній поверхні, де зазвичай утворюються тріщини від корозії.

Роль залишкової напруги стиску в уповільненні виникнення корозійної втомної тріщини
Циклічне напруження розтягування та корозійний електроліт, що містить хлориди, викликають початок корозійного втомного руйнування в нержавіючій сталі 316. Тріщина починається з поверхневої ямки або включення, де пасивне захисне покриття вийшло з ладу. Якщо на поверхні присутній стан залишкової напруги стиснення, прикладена циклічна напруга розтягування повинна подолати це стиснення, щоб створити чистий натяг у вершині тріщини. Це значно підвищує рівень напруги, необхідний для виникнення тріщини. Якщо поверхневе залишкове стиснення становить -280 МПа, а прикладене циклічне напруження становить +200 МПа, тоді чисте значення на поверхні становить -80 МПа. Це все ще стискає і не може ініціювати втомну тріщину. Чистий натяг існує, лише якщо циклічна напруга перевищує +280 МПа. Для порівняння, оболонка товщиною 2,0 мм, яка має лише -120 МПа поверхневого стиснення, має чистий натяг, коли прикладена напруга перевищує +120 МПа, що є набагато нижчим порогом. Випробування на корозійну втому в синтетичній морській воді при 60°C підтверджують цей ефект. Зразки з товщиною стінки 0,9 мм і значним залишковим стисненням витримали 10 мільйонів циклів при змінному навантаженні 250 МПа без утворення тріщин. При такому ж прикладеному навантаженні зразки з невеликим залишковим стисненням і товщиною стінки 2,0 мм вийшли з ладу після 2 мільйонів циклів. Тонша оболонка забезпечила в п’ять разів більшу стійкість до корозії, незважаючи на зменшення абсолютної товщини стінки.

Компроміс-між залишковою напругою та запасом товщини стінки
Тонкостінні оболонки мають перевагу в корозійній втомі, але це потрібно збалансувати з нижчим запасом матеріалу, якщо з’явиться тріщина. Оболонка товщиною 0,9 мм із значним залишковим стисненням може витримувати утворення тріщин протягом мільйонів циклів. Проте будь-яка тріщина, яка подолала поле залишкових напруг через велику поверхневу яму або тимчасове перевантаження, має лише 0,9 мм матеріалу для поширення перед перфорацією. Оболонка товщиною 2,0 мм із меншим залишковим стисненням може спричинити тріщину за меншу кількість циклів, але тріщина має поширюватися на 2,0 мм, щоб спричинити руйнування. Загальний термін служби до руйнування=Початковий термін служби + Термін служби поширення Випробування на корозійну втому в солоній воді при 60°C в апараті з обертовою балкою дають наступні загальні цикли до руйнування для оболонок 316 із зовнішнім діаметром 10 мм при змінній напрузі 200 МПа. Оболонка розміром 0,8 мм досягла загалом 12 мільйонів циклів, 11,5 мільйонів для ініціації та 0,5 мільйона для поширення. Оболонка товщиною 1,2 мм витримала 8 мільйонів циклів, 7 мільйонів для ініціації та 1 мільйон для поширення. Оболонка товщиною 1,6 мм витримала 5 мільйонів циклів (3 мільйони для ініціації та 2 мільйони для поширення). Оболонка 2,0 мм витримала 3,5 мільйона циклів, з яких 1,5 мільйона були для ініціації та 2 мільйони для поширення. Тонкостінна-оболонка має найвище залишкове стиснення та найдовший загальний термін служби, навіть незважаючи на те, що запас поширення невеликий.

Матриця вибору довговічності від корозії в морському середовищі
У наступній таблиці наведено рекомендовану товщину стінок оболонки 316 для електричних занурювальних нагрівачів у морській експлуатації залежно від розрахункової амплітуди циклічного напруження та необхідного терміну служби. Значення наведені для постійного впливу морської або солонуватої води при 30–60°C, а також для звичайних методів обтиску без відпалу після обтиску.

Очікувана амплітуда циклічної напруги, необхідний термін служби, рекомендований 316, товщина стінки оболонки, домінуючий режим відмови Обґрунтування конструкції
Низький, менше 50 МПаПонад 10 років 1,2 – 1,6 мм Корозія в тріщинах Товщина, залежна від допуску на корозію, вигода від залишкової напруги менш значна
Середній, 50 – 150 МПа 5 – 10 років 1,0 – 1,2 мм Початок корозійної втоми Тонка стінка забезпечує високе залишкове стиснення для запобігання розтріскування
Помірний, від 50 до 150 МПа 10 років або більше 1,4 – 1,6 мм з відпалом після-обжиму Розповсюдження від початку Відпал зменшує переваги від залишкової напруги; використовувати запас товщини
Високий, 150 – 250 МПа 3 – 5 років 0,8 – 1,0 мм Початок корозійної втоми Допускається короткий термін служби, необхідний максимальний залишковий стиск
High, 150 – 250 MPa>5 років316 Неможливо Перевантаження або швидке розтріскування Замініть на Incoloy 825 або титан
Змінний із багатьма перезарядами Будь-який термін служби 1,6 – 2,0 мм Проп. після несподіваної тріщини Запас товщини захищає від непередбачуваних подій
У програмах, де циклічні напруги спричинені вібрацією, циклічним тепловим розширенням або змінами тиску, важливо мати можливість виміряти або оцінити амплітуду напруги. За відсутності вимірювання помірний рівень напруги 100 МПа є розумним за замовчуванням. У цих випадках товщина стінки 1,2 мм забезпечує оптимальний компроміс між перевагою залишкової напруги та запасом для поширення. Інженери також повинні розглянути можливість рекомендувати після-відпал під тиском для товстостінних-оболонок, які використовуються в{-додатках із високим циклом. Відпал при 1050 градусах повністю усуває залишкові напруги і, отже, переваги тонких стінок від корозійної втоми, а також залишкові напруги розтягування на внутрішній поверхні, які можуть призвести до поширення руйнування. Відпалена оболонка товщиною 1,6 мм має такий же загальний термін служби, як і не{12}}відпалена оболонка товщиною 1,2 мм, що пропонує альтернативний підхід для досягнення тривалого терміну служби без використання тонких стінок. Вибір тонких стінок з високим залишковим напруженням або товстих стінок з відпалом залежить від виробничих можливостей і вартості. Для більшості морських застосувань, де вібрація присутня, але не сильна, звичайне обжимання забезпечить надійні показники корозійної втоми без додаткової обробки, якщо товщина стінки знаходиться в діапазоні від 1,2 до 1,4 мм.