Яка максимально допустима глибина слідів поверхневого шліфування після безцентрової обробки труб нагрівача 316 запобігає появі корозійного розтріскування під напругою в 500 ppm хлоридної води при 90 градусах

Поверхнева подряпина як місце концентрації напруги для ініціації SCC

Поріг ініціювання корозійного розтріскування під напругою (SCC) у хлоридному середовищі для 316 електронагрівальних трубок з оболонкою з нержавіючої сталі, які були безцентрово відшліфовані або механічно відполіровані як кінцева операція фінішної обробки для досягнення жорстких допусків діаметра або гладких поверхонь, безпосередньо контролюється глибиною залишкових слідів шліфування, зазвичай 5-50 мкм залежно від розміру абразивного зерна та швидкості подачі. Кожна марка шліфування є геометричним концентратором напруги з теоретичним коефіцієнтом концентрації напруги (K_t) в діапазоні від 1,5 для гладкої неглибокої позначки (глибина<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 мкм, радіус кореня<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.

Механізм ініціювання SCC на поверхневих надрізах

316 Корозійне розтріскування під напругою в гарячих хлоридах вимагає трьох умов: сприйнятливої ​​мікроструктури (зазвичай деяка холодна робота), тривалої напруги розтягування та агресивного хлоридного середовища. У основі мітки поверхневого шліфування локальна напруга розтягування визначається $σ_{local}=σ_{applied}×K_{t}$, де $K_{t}$ є функцією геометрії мітки (відношення глибини до радіуса). Типова марка шліфування з глибиною d і радіусом кореня ρ дає K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). Неглибока заокруглена вм’ятина (d=5 мкм, ρ=10 мкм) дає K_t≈1+2×sqrt(0,5)=2.4. Для глибокої гострої позначки (d=20 $\\mu$m, $\\rho$=2 $\\mu$m) ми оцінюємо $K_t\\приблизно 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . Для прикладеної залишкової напруги 100 МПа локальна напруга становить 240-730 МПа — вище межі текучості 205 МПа і далеко в зоні, де швидко виникає SCC. Тріщина починається при концентрації напруги та просувається через анодне розчинення на вершині тріщини, викликане прикладеною напругою, доки стінка оболонки не буде пробита.

Кількісний зв’язок між глибиною сліду шліфування та ініціюванням SCC

Контрольоване випробування SCC (безперервне навантаження, U-вигин або C-кільцеві зразки) 316 трубок із контрольованою глибиною поверхневого шліфування (досягається зміною абразивного зерна та швидкості подачі) у 500 ppm хлоридної води при 90 градусах встановило необхідні глибини для початку SCC протягом певних періодів часу.

Максимальна глибина шліфування (мкм) Типова шорсткість поверхні (Ra, мкм) Радіус кореня мітки (мкм, типовий) Фактор концентрації напруги (K_t) Час до початку SCC (годин, 500 ppm Cl-, 90 градусів, залишкова напруга 100 МПа) Час до перфорації (стінка 1,5 мм після початку) Рекомендовано для 500 ppm Cl-, 90° Service<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30 000 Так (еквівалент електрополірованого)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10,000-20,000 15,000-25 000 Так 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5,000-10,000 8,000-15 000 Прийнятно 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500-5,000 4,000-8 000 Граничний 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1,000-2,500 2,000-4,000 Не рекомендовано
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1,000-2000 Неприйнятно
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 
Вплив рівня залишкової напруги на допустиму глибину позначки

Допустима глибина слідів шліфування сильно залежить від залишкової напруги розтягування оболонки. Вища залишкова напруга потребує дрібніших позначок для запобігання SCC. Максимально дозволена глибина позначки для багатьох рівнів залишкового напруження, 500 ppm Cl⁻, 90 градусів, представлена ​​в таблиці нижче.

Залишкова напруга розтягування (МПа) Максимально допустима глибина шліфування для 10 000-годин життя без SCC (мкм) Необхідна шорсткість поверхні (Ra, мкм) Рекомендований метод обробки<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (креслення)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (помірний малюнок)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (як-зігнутий, без зняття напруги)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Практична технічна служба фінішної обробки хлоридом

Наступні критерії обробки поверхні рекомендовані для нагрівачів із оболонкою 316 для роботи в хлоридній воді понад 200 частин на мільйон при температурах вище 80 градусів на основі розрахункового стану залишкового напруження.

Метод остаточної обробки Максимальна глибина позначки шліфування Максимальний Ra Метод перевірки Стан залишкової напруги
Зниження напруги (відпал після формування) Безцентрове шліфування, зернистість 400-600 10 мкм 0,5 мкм Візуальний + профілометр 50×
Витягнутий або зігнутий (без зменшення натягу) Тонка шліфована + м’яке полірування 5 мкм 0,3 мкм Профіометр
Високий вміст хлоридів Як намальовано Як зігнуто Електрополірування (видалення 20-30 мкм)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Будь-який, для критичного обслуговування. Електрополірування + пасивація 0 (відмітки видалені повністю)<0.1 µmComplete surface inspection
Ідентифікація поля SCC, викликаного шліфуванням

Для нагрівачів, які вийшли з ладу через SCC при роботі з хлоридом, необхідно дослідити поверхню зламу на предмет місця походження зламу. При збільшенні (100-500×) точка походження тріщини часто збігається зі слідом від шліфування або подряпиною. Слід буде виглядати як чітко окреслена канавка, часто з продуктами корозії, які переважно збираються в канавці. Тріщини SCC поширюються перпендикулярно напряму мітки шліфування (якщо мітки розташовані по окружності, тріщини є осьовими, а якщо мітки є осьовими, тріщини зазвичай розташовані по окружності, але можуть слідувати за міткою). Якщо присутні сліди від шліфування, а робоче середовище містить хлориди понад 200 ppm і температури вище 80 градусів, слід підозрювати SCC через сліди від шліфування. Відповідь полягає в тому, щоб вимагати електрополірованих або тонко полірованих поверхонь для майбутніх покупок і вилучити поточні нагрівачі або відполірувати поверхню оболонки на місці, якщо це доступно (рідко можливо).

Висновок: Обмеження глибини мітки шліфування для роботи з хлоридом

Grinding markings >10-12 мкм забезпечують концентратори напруги та зменшують час ініціювання SCC для нагрівачів із корпусом з нержавіючої сталі 316 у 500 ppm хлоридної води при 90 градусах з 20000+ годин до 2000-5000 годин. SCC починається через 500-1000 годин при нормальному рівні залишкового напруження на глибині більше 20 мкм. Для роботи з хлоридом інженери, які обирають оболонки 316, повинні вказати максимальну глибину слідів шліфування (наприклад, менше або дорівнює 8 мкм) або еквівалентно максимальну шорсткість поверхні (наприклад, Ra менше або дорівнює 0,5 мкм) і попросити перевірку за допомогою профілометрії. Для найбільш несприятливих хлоридних умов або там, де залишкові напруги неможливо мінімізувати, електрополірування для видалення холоднообробленого, подряпаного поверхневого шару повністю усуває концентратори напруги, пов’язані зі слідами шліфування. Запропонований тут підхід пов’язує глибину сліду шліфування з вимірним часом виникнення SCC, дозволяючи покупцеві вказати методи обробки поверхні, які дозволяють уникнути передчасного виникнення тріщин на поверхневих дефектах.