Hvordan påvirker veggtykkelsen av 316 rustfritt stålhylster restspenningsfordelingen etter strøing og dens effekt på korrosjonsutmattingslivet i marine miljøer?

Korrosjonsutmatting er en spesielt aggressiv sviktmekanisme for elektriske el-dykkvarmere spesifisert av marineingeniører for offshoreplattformer, skipssystemer og kystindustrianlegg når syklisk mekanisk belastning og kloridkorrosjon kombineres. Korrosjonsutmattelse fører til sprekkinitiering ved mye lavere spenningsamplituder og kortere sykluslevetid enn ren utmatting i luft eller ren korrosjon i statiske omgivelser. Restspenningene som genereres av swaging (som komprimerer magnesiumoksidisolasjonen rundt motstandstråden) samhandler med driftsspenninger og enten akselererer eller forsinker brudddannelsen avhengig av deres tegn og størrelse. Denne artikkelen kvantifiserer effekten av kappens veggtykkelse på fordelingen av restspenning etter strekking og effekten av disse restspenningene på korrosjonsutmattelseslivet i et marint miljø.

Generering av gjenværende stress i utformingen av 316 slirer
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 size of these residual strains is dependent on wall thickness and diameter reduction. For a thin walled sheath--below 1.0 mm--the swage force penetrates almost the whole wall thickness. The resulting strong compressive stresses at the outer surface (-200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (+50 to +100 MPa) are obtained. The swaging force is taken mostly by the outside layers of the thick-walled sheath (>1,8 mm), som utvikler sterke trykkspenninger bare nær den ytre overflaten, og lar de indre lagene stort sett være urørt. Strekkspenningene på den indre overflaten er likeledes lavere på grunn av den mindre komplette MgO-komprimeringen som angitt i artikkel 12. Denne koblingen ble bekreftet av røntgendiffraksjonsmålinger av gjenværende spenning i de smidde 316 kappene. For en 0,9 mm veggkappe var overflatetrykkspenningen -280 MPa. En 1,5 mm veggkappe var -180 MPa. 2,0 mm veggkappe viste kun -120 MPa. Den tynnere kappen lagrer mer fordelaktig trykkspenning på den ytre overflaten, stedet for brudd på korrosjonsutmatting.

Effekten av gjenværende trykkspenning på initiering av korrosjonsutmattingssprekker
Den sykliske strekkspenningen og korrosiv elektrolytt som inneholder klorider forårsaker korrosjonsutmattingsbrudd i 316 rustfritt stål. Sprekken starter ved en overflategrop eller inneslutning der det passive beskyttende belegget har sviktet. Hvis en gjenværende trykkspenningstilstand er tilstede på overflaten, må den påførte sykliske strekkspenningen overvinne denne kompresjonen for å produsere netto spenning ved sprekkspissen. Dette øker terskelspenningen for sprekkstart betydelig. For en 0,9 mm 316 kappe med -280 MPa gjenværende kompresjon på overflaten, resulterer en påført syklisk spenning på +200 MPa i bare -80 MPa netto ved overflaten som fortsatt er komprimerende og ikke i stand til å starte en tretthetssprekke. Bare den sykliske spenningen som overstiger + 280 MPa genererer nettspenningen på overflaten. Til sammenligning er en 2,0 mm kappe som har bare -120 MPa overflatekompresjon i netto spenning når den påførte spenningen er større enn +120 MPa, en langt lavere terskel. Korrosjonsutmattelsestester i syntetisk sjøvann ved 60 grader validerer denne effekten. Prøver med en veggtykkelse på 0,9 mm og betydelig gjenværende kompresjon holdt 10 millioner sykluser ved 250 MPa påført vekselspenning uten sprekkstart. Ved samme påførte belastning sviktet prøver med liten gjenværende kompresjon og 2,0 mm veggtykkelse etter 2 millioner sykluser. Den tynnere kappen ga fem ganger så lang levetid for korrosjonsutmatting til tross for redusert absolutt veggtykkelse.

Bytt-mellom gjenværende stressfordeler og veggtykkelsesmargin
Tynne-vegger har fordelen ved korrosjonsutmattelse, men dette må balanseres mot den nedre materialmarginen dersom en sprekk starter. 0,9 mm kappen, med betydelig gjenværende kompresjon, kan være motstandsdyktig mot sprekkstart i millioner av sykluser. Men når en sprekk overvinner restspenningsfeltet, for eksempel på grunn av en enorm overflategrop eller en kort overbelastning, trenger den bare å forplante seg gjennom 0,9 mm materiale for å forårsake perforering. En 2,0 mm kappe med mindre gjenværende kompresjon kan starte en sprekk ved færre sykluser, men sprekken må gå gjennom 2,0 mm for å utløse feil. Totalt liv til svikt er summen av initieringsliv og forplantningsliv. Testresultater for roterende strålekorrosjonsutmatting i 60C sjøvann brukes for å illustrere følgende totale sykluser til svikt for 10 mm OD 316 kapper ved 200 MPa vekselspenning. En 0,8 mm kappe hadde totalt 12 millioner sykluser (11,5 millioner start, 0,5 millioner forplantning). En 1,2 mm kappe oppnådde 8 millioner sykluser (1 million forplantning, 7 millioner start). 5 millioner sykluser (3 millioner start, 2 millioner forplantning) for en 1,6 mm hylse. En 2,0 mm kappe overlevde 3,5 millioner sykluser (1,5 millioner initiering, 2 millioner forplantning). Utbredelsesmarginen er liten, men den sterke gjenværende kompresjonen av tynne-vegger resulterer i lang levetid.

Marint miljø Korrosjon Utmattelse Livsvalgsmatrise
Følgende tabell viser anbefalte 316 kappeveggtykkelser for elektriske el-patron i marin drift avhengig av estimert syklisk spenningsamplitude og nødvendig levetid. Verdiene er for kontinuerlig eksponering for sjøvann eller brakkvann ved 30–60 grader og også for vanlige smygingsteknikker uten etter-swagglødning.

Forventet syklisk spenningsamplitude Levetid påkrevd Anbefalt 316 kappeveggtykkelse Dominant feilmodus Designbegrunnelse
lav (< 50 MPa) > 10 years 1.2 – 1.6 mm Crevice corrosion Residual stress benefit less essential. Corrosion allowance drives thickness
Moderat (50 – 150 MPa) 5 – 10 år 1,0 – 1,2 mm Korrosjonsutmattingsinitiering Tynnvegg for høy gjenværende kompresjon for å unngå sprekkdannelse
Moderat (50 – 150 MPa) > 10 år 1,4 – 1,6 mm med post-swaggløding Forplantning etter initiering Gløding reduserer gjenværende stressfordel; stole på tykkelsesmargin
Høy (150 – 250 MPa) 3 – 5 år 0,8 – 1,0 mm Initiering av korrosjonstretthet Maksimal gjenværende kompresjon et must; redusert levetid akseptabelt.
Høy (150 – 250 MPa) > 5 år Ikke levedyktig for 316LO-overbelastning eller rask cracking Oppgrader til Incoloy 825 eller titan
Variabel med hyppig overbelastning Enhver forplantning på 1,6 – 2,0 mm etter uventet sprekk. Tykkelsesmargin beskytter mot stokastiske hendelser
I applikasjoner der sykliske spenninger induseres av vibrasjoner, termisk ekspansjonssyklus eller trykkendringer, er det viktig å kunne måle eller estimere spenningsamplituden. I fravær av måling er et moderat spenningsnivå på 100 MPa en forsvarlig standard. I disse tilfellene gir veggtykkelsen på 1,2 mm det optimale kompromisset mellom fordelen med restspenning og marginen for forplantning. Ingeniører bør også vurdere å anbefale etter-swaggløding for tykke-vegger som brukes i høy-applikasjoner. Gløding ved 1050 grader fjerner fullstendig restspenninger og dermed korrosjonsutmattingsfordelen ved tynne vegger, men også strekkrestspenningene ved den indre overflaten som kan føre til bruddutbredelse. En glødet 1,6 mm kappe har en tilsvarende total utmattingslevetid som en ikke-glødet 1,2 mm kappe, og tilbyr en alternativ tilnærming for å oppnå lang levetid uten å stole på tynne vegger. Produksjonsevne og kostnad er en funksjon av smale vegger med høy restspenning eller tykke vegger med gløding. For de fleste marine applikasjoner med vibrasjoner tilstede, men ikke alvorlige, vil en veggtykkelse på 1,2-1,4 mm med normal pressing gi pålitelig korrosjonsutmattingsytelse uten ekstra prosessering.