Чому оболонка з нержавіючої сталі 316 із товщиною стінки менше 1,1 міліметра потребує після-відпалу під тиском, щоб запобігти корозійному розтріскуванню під напругою в умовах гарячої морської води?

Комбінація залишкової напруги розтягування від тиснення та впливу хлоридів створює високу небезпеку корозійного розтріскування під напругою для інженерів-виробників і спеціалістів з корозії, відповідальних за електричні занурювальні нагрівачі в системах з охолодженням морською водою, опріснювальних установках і морських платформах. Корозійне розтріскування під напругою характеризується одночасною наявністю трьох умов (стаття 10): чутливий матеріал, напруга розтягування та хлоридне середовище, що перевищує 60 градусів. Метод обжимання, який використовується для конденсації ізоляції з оксиду магнію, створює великі залишкові напруги розтягування на внутрішній поверхні оболонки 316. Ці залишкові напруги особливо сильні для тонкостінних оболонок менше 1,1 мм і поширюються на більший відсоток товщини стінки, забезпечуючи майже безперервний канал для початку та поширення руйнування. Ці залишкові напруги можна послабити, а сприйнятливість до корозійного розтріскування під напругою значно зменшити за допомогою пост-відпалу обтиску, тобто нагрівання готового вузла нагрівача до 1050 градусів і швидкого гарту. Дослідження кількісно визначає зв'язок між товщиною стінки, кількістю залишкової напруги та потребою у відпалі після обжиму для морської води.

Величина залишкової напруги в залежності від товщини стінки після обтиску
Під час процесу обтиску труба 316 піддається холодній обробці, оскільки діаметр зменшується на 15-30% навколо заповненого MgO сердечника. Холодна обробка створює дислокації та деформацію зерен і зберігає пружну енергію як залишкову напругу. Рентгенівські дифракційні вимірювання залишкової напруги, виконані на внутрішній поверхні штампованих оболонок 316, показують значну обернену залежність від товщини стінки. Залишкова напруга розтягування на внутрішній поверхні для товщини стінки 0,8 мм змінюється від +250 до +350 МПа. Для товщини стінки 1,0 мм діапазон становить від +200 до +280 МПа. Для стінки 1,2 мм діапазон зменшується до +150 до +220 МПа. Для стінки 1,6 мм діапазон становить від +100 до +160 МПа. Залишкові напруги зменшуються від +50 до +100 МПа в стінці 2,0 мм. Ці значення близькі або перевищують порогове значення корозійного розтріскування під напругою в теплому хлоридному середовищі, яке становить приблизно +150 МПа для нержавіючої сталі 316 у солоній воді при 60 градусах. Оболонки, у яких залишкова напруга на внутрішній поверхні перевищує 150 МПа, можуть ініціювати тріщини протягом кількох місяців після впливу. Нижче 100 МПа ризик значно менший. Таким чином, оболонки з товщиною стінки менше приблизно 1,2 мм мають внутрішні поверхневі залишкові напруги, що перевищують безпечний рівень, тоді як оболонки понад 1,6 мм зазвичай нижчі за порогове значення. Для проміжного діапазону 1,2–1,6 мм небезпека пов’язана зі зменшенням питомої товщини та температурою морської води.

Процес відпалу та його вплив на корозійну стійкість і залишкову напругу.
Оболонка 316 відпалюється після тиснення при 1050 градусів протягом 15–30 хвилин у захисному середовищі, зазвичай аргоні або дисоційованому аміаку, для рекристалізації зернистої-структури холодної обробки. Метод майже повністю усуває залишкову напругу, знижуючи значення внутрішньої поверхні приблизно до ±20 МПа незалежно від початкової товщини стінки. Але відпал має 3 можливі недоліки. По-перше, висока температура може окислити резистивний дріт усередині, якщо середовище не обслуговується належним чином. Нікель-хромові сплави утворюють захисний оксид при 1050 градусах, але сильне окислення зменшує-переріз дроту та скорочує термін служби нагрівача. По-друге, відпал пом’якшує оболонку 316, знижуючи її механічну міцність і показники тиску приблизно до 20–30% від значення, отриманого при холодному витягуванні. Нагрівач, розрахований на 40 бар у штампованому стані, може бути знижений до 30 бар після відпалу. По-третє, низькі швидкості охолодження під час відпалу можуть викликати сенсибілізацію, тобто випадання карбіду хрому на межах зерен. Швидке охолодження, часто загартування водою або примусове охолодження газом, дозволяє уникнути сенсибілізації та зберігає стійкість до корозії. Добре-проведений відпал не впливає на стійкість до точкової або щілинної корозії. Це може навіть покращити однорідність пасивного покриття. Для тонкостінних оболонок менше 1,1 мм переваги зменшення залишкової напруги значно перевищують недоліки, оскільки інакше термін служби обмежувався б місяцями, а не роками через корозійне розтріскування під напругою.

Вимоги до відпалу та матриця товщини стінки для морської води
У наведеній нижче таблиці наведено вказівки щодо після{0}}відпалу оболонок 316 для гарячої морської води при температурах, що перевищують 60 градусів. Значення безперервного або періодичного впливу хлоридів і прогнозований термін служби понад два роки.

Товщина стінки оболонки Залишкова напруга на внутрішній поверхні Ризик корозійного розтріскування під напругою Обтискання без стовпчика-Обтискний відпал Відпал Рекомендовані альтернативні рекомендації
Нижче 0,8 мм Вище 350 МПаДуже високий; тижні відмовиОбов'язковий Оновлення товстої стінки чи сплаву?
250 – 350 МПа 0,8 – 1,0 мм Висота; вихід з ладу через 1 – 6 місяців. Обов’язковий відпал, необхідний для всіх видів морської води
1,0 – 1,2 мм 200 – 280 МПа Від помірного до високого; вихід з ладу через 6–18 місяців. Настійно рекомендовано. Прийнятно без відпалу. Тільки для періодичного обслуговування
1,2 – 1,4 мм 150 – 220 МПа Середній; 1–3 роки відмови Для тривалої служби Рекомендовано Перевіряти щороку без відпалу 1,4–1,6 мм 100–160 МПа Від низького до середнього; вихід з ладу через 3-5 років Додатковий 5-річний термін служби може бути достатнім без відпалу
1,6 – 2,0 мм 50 – 100 МПа Низький – навряд чи зруйнується протягом наступних 5 років Не вигідно Відпал не дуже вигідний
Понад 2,0 мм< 50 MPaVery low Not necessaryNo annealing needed, might weaken strength
Для оболонок у солоній воді понад 60 градусів і менше 1,2 мм визначення відпалу після обжиму є різницею між нагрівачем, який виходить з ладу через один рік, і нагрівачем, який прослужить п’ять або більше років. Додаткові витрати на відпал, зазвичай 15-25% від вартості нагрівача, компенсуються збільшенням терміну служби та усуненням ризику несподіваного розтріскування.

Практичні аспекти специфікації відпалених тонкостінних-оболонок
Тонкостінні-оболонки 316 мають бути-відпалені інженерами після обтиску, і до специфікації закупівлі слід включити три додаткові вимоги. Сертифікація першої вимоги щодо середовища відпалу та швидкості охолодження. Сертифікат відповідності про те, що відпал проводився в не-окислювальному середовищі при 1,050 15 градусі протягом щонайменше 15 хвилин і з гартуванням водою або примусовим газовим охолодженням, забезпечує правильну обробку. По-друге, вимагайте тесту на чутливість відповідно до ASTM A262 Practice E. Тест складається із занурення зразка відпаленого матеріалу оболонки в киплячий розчин мідного-сульфату міді та перевірки на наявність міжзеренної атаки. Прохідна оцінка вказує на те, що відпал не призвів до сенсибілізації. По-третє, вимагати перевірки того, що провід внутрішнього опору не окислений і не пошкоджений. Просте випробування опору ізоляції при кімнатній температурі-мінімум 100 МОм-підтверджує, що MgO та дріт усе ще на місці. У нагрівачів, які були неправильно відпалені на повітрі, дріт опору може повністю окислитися, і нагрівач демонструватиме коротке замикання або дуже низький опір. Для великого обсягу виробництва інженери повинні шукати зразки поперечного перерізу з початковим виробничим циклом, щоб підтвердити зернисту структуру та відсутність міжкристалічних карбідів. Ця кваліфікація є відносно недорогою порівняно з вартістю польових збоїв у застосуванні морської води, де несправний нагрівач зазвичай призводить до зупинки судна, осушення та очищення. Правильно відпалена тонка-стінка 316 поєднує в собі переваги термічної реакції тонких стінок і стійкість до корозійного розтріскування під напругою товстих стінок - найкраще з обох світів, коли потрібні як швидке нагрівання, так і стійкість до морської води.