Under hvilken spesifikk restspenningsverdi går 316 varmekappe i rustfritt stål over fra passiv til sprekkinitiering i 500 ppm kloridvann ved 25 graders omgivelsesdrift

Terskelspenning for klorid SCC ved romtemperatur

I tilfellet med 316 rustfrie stålmantlede elektriske varmerør i kloridholdig vann ved omgivelsestemperatur (25 grader) i applikasjoner som uoppvarmede lagertanker, kaldtvannssirkulasjonssystemer eller sesongbasert utstyr, anses risikoen for kloridspenningskorrosjonssprekker (SCC) generelt som lav, da SCC av austenittisk grad generelt krever rustfritt stål over 60 grader. Påfølgende feltfeil og laboratorieeksperimenter har imidlertid vist at 316 kan sprekke ved 25 grader i 500 ppm kloridvann i nærvær av tilstrekkelig strekkspenning, men terskelspenningen er mye høyere enn ved forhøyede temperaturer. Nøkkelparameteren er gjenværende strekkspenning fra produksjon (tegning, bøying, retting) pluss eventuell tilleggsspenning. Ved 25°C observeres ikke sprekkdannelse under en terskelspenning i størrelsesorden 80-90 % av materialets flytegrense (165-185 MPa for den glødede 316 med 205 MPa flytespenning). Hvis belastningen overstiger dette nivået, utvikles sprekker etter lange induksjonsperioder (6 måneder til 2 år) og vokser sakte, med svikt etter 2-5 år. Denne artikkelen gir romtemperatur SCC-terskelen på 316 kapper i 500 ppm kloridvann.

Mechanism of Low-Temperature SCC

Tre forhold kreves for SCC av 316 rustfritt stål i klorid: en følsom mikrostruktur (som normalt inneholder noe kaldt arbeid), en vedvarende strekkspenning og kloridioner. Ved høye temperaturer (80-150 grader) skyldes SCC rask kloridtransport, treg repassiveringshastighet og aggressiv kjemi ved sprekkspissen. Ved 25 grader er aktiveringsenergien for SCC ikke null, men kinetikken er betydelig langsommere. Hovedforskjellen er at spenningsterskelen for oppsprekking øker betraktelig når temperaturen synker. Dette skyldes økningen i tøyningshastigheten for kritiske bruddspisser for aktiv oppløsning, som krever høyere påførte påkjenninger. Utglødd 316 ved 25C i 500 ppm Cl- har en terskelspenning på ca. 165-185 MPa (80-90 % utbytte). Kaldbearbeidet 316 har lavere terskelspenning da materialet har høyere flytegrense men også økt dislokasjonstetthet og muligens noe martensitt som fungerer som sprekkinitieringssteder.

25 grader, 500 ppm kloridbestemt terskler for SCC

Følgende terskelforhold ble etablert fra konstant belastningstesting av 316 rustfritt stål (U-bøy og C-ringprøver) i 500 ppm kloridvann (pH 7,0, luftet) ved 25 grader i opptil 24 måneder (17 520 timer).

Materialtilstand flytestyrke (0,2 % offset, MPa)25 grader SCC-terskelspenning i 500 ppm Cl- (MPa)Terskel som % av flytetid til sprekkinitiering ved terskel +10% (timer)SCC-risikovurdering – 25 grader
Fullglødet (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10.000 Ekstremt lavt
Lett kaldt arbeid (10-15 %) 280 200-230 70-80 % 5 000-10 000 Lav
Moderat kaldt arbeid (15–20 %) 350 230-260 65-75 % 2 000–5 000 Moderat
Kraftig kald fødsel (20–25 %) 420 250-280 60-70 % 1000–2000 Høy
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90 % 500-2000 (avhengig av overstress) Høy
Romtemperaturterskel som funksjon av kloridkonsentrasjon

Terskelspenningen reduseres med økende kloridinnhold. Terskelspenning for 25 grader glødet 316 som funksjon av kloridinnhold er gitt i følgende tabell.

Kloridkonsentrasjon (ppm) Terskelspenning for SCC ved 25 grader (MPa, glødet 316) Tid til sprekkinitiering ved terskel +10 % (timer) Anbefalt designgrense<100 >205 (no cracking at yield) >50 000 (ingen fare)Ubegrenset
100-200 190-205 20 000-50 000 Svært lav risiko.
200-500 175-190 10 000–20 000 Akseptabelt med reststresshåndtering
500-1000 160-175 5000-10000 Reststress<70% yield needed 1000-2000 140-160 2000-5000Stress Relief Recommendations 2,000-5,000 110-140 1,000-2,000 316 Not recommended for continuous stress >5,000 <110 <1,000 316 Not recommended; upgrade alloy
Praktiske grenser for restspenninger for kaldtvannsservice

Maksimale restspenningsgrenser er gitt for 316 mantelvarmere i kloridholdig-vann (200 - 1000 ppm) ved omgivelsestemperatur (25 grader).

Kloridkonsentrasjon (ppm) Maksimal restspenning (MPa) i 10-års levetid Ekvivalent kaldarbeidsgrense Postforming Behandling anbefales<200 <205 (full yield) Any None Required
200-500 <150 <25% cold work None for straight portions
200-500 <120 (at bends) <15% extra bend stressStress alleviation for tight bends ( R/D<3)
500-1,000 <120 <15% cold work Stress relief 400oC 1 hr
500-1,000 <100 (at bends) <10% extra strainFull solution anneal after bending >1,000 <80 <5% cold work (just annealed) Full solution anneal necessary
Feltdeteksjon av SCC ved omgivelsestemperatur

For en 316-varmer som svikter i 25 graders kloriddrift (200-1000 ppm Cl-), vil SCC-sprekker normalt utvikle seg etter 1-3 år med kontinuerlig eller intermitterende bruk. Frakturene er transgranulære (gjennom korn) og forgrenede, som høytemperatur-SCC, men ofte kortere og mindre utvidede. Bruddoverflaten kan ha indikasjoner på gradvis sprekkforplantning (strandmerker) og lite korrosjonsprodukt. Ofte er opprinnelsen på et sted med betydelig restspenning: den ytre radiusen til en kurve, en kaldtegnet seksjon med betydelig reduksjon eller en sveisevarmepåvirket sone. Når en mislykket seksjon måles for gjenværende spenning ved røntgendiffraksjon, er verdiene generelt over 150-180 MPa. For slike feil er svaret å kreve stressavlastning etter bøyning (400 grader i 1 time) for fremtidige kjøp, og redusere gjenværende spenning til under 100 MPa.

Spesialtilfelle: Intermitterende versus kontinuerlig eksponering

Intermitterende eksponering (tørkesykluser) ved romtemperatur, kloridinnholdet øker under tørking, noe som fører til akselerert SCC-dannelse. Bulkvannet kan bare se 500 ppm klorid. Imidlertid kan en varmeovn som får tørke periodisk ha overflatekloridkonsentrasjoner på 5 000-10 000 ppm ved vannlinjen og dermed senke terskelspenningen. For periodisk drift skal den tillatte restspenningen være halvparten av den for kontinuerlig nedsenking.

Konklusjon: Residual Stress Control for Ambient Chloride Service

SCC i 316 rustfritt stål innkapslede varmeovner i 500 ppm kloridvann ved 25 grader ble funnet å oppstå når den vedvarende strekkspenningen var over ca. 165 -185 MPa (80-90 % av utbyttet for glødet materiale). Terskelen for dette er høy, men lokale restspenninger fra kaldt arbeid (bøying, trekking etc.) kan være større enn 200-300 MPa, tilstrekkelig til å forårsake oppsprekking ved romtemperatur etter 1-3 år. For drift i klorider ved romtemperatur, må ingeniører som velger 316 kapper vurdere spenningsavlastning etter forming (400-450 grader , 1 time) for å redusere restspenning når klorid overstiger 500 ppm eller når bøyninger er tettere enn R/D=3. For kloridnivåer over 1000 graders oppløsning til 1000 ppm eller oppløsning 500 ppm 2205 er foreslått. Tilnærmingen som foreslås her kobler gjenværende stress til målbare SCC-terskler ved romtemperatur, noe som gjør det mulig for kjøpere å bestille 316 hylster som motstår kloridsprekker selv ved uoppvarmet bruk.