Kako je odstotek preostalega raztezka iz nateznega testiranja cevnega ovoja iz nerjavečega jekla 316 v korelaciji s sposobnostjo oblikovanja in odpornostjo proti razpokam zaradi napetostne korozije med upogibanjem grelnika

Parameter duktilnosti: nadzor izdelave in življenjske dobe

Odstotek preostalega raztezka, izmerjen v standardnem nateznem preskusu (odstotek raztezka po zlomu) cevi iz nerjavečega jekla 316, ki se uporablja za izdelavo oplaščenih električnih grelnih elementov, je ključni pokazatelj dveh na videz nepovezanih lastnosti delovanja. Višje vrednosti raztezkov (običajno 40-50 % za popolnoma žarjeno 316) v stanju kot-prejeto kažejo na dobro preoblikovalnost in zmožnost upogibanja v ozkih radijih brez zloma ali čezmerne vzmetnosti. Vendar pa enake mikrostrukturne značilnosti, ki spodbujajo hitro raztezanje-velikih, enakoosnih avstenitnih zrn z nizko gostoto dislokacij-povečujejo tudi občutljivost za napetostno korozijsko razpokanje (SCC) v pogojih vročega klorida. Po drugi strani pa ima cev z zmernim raztezkom (25 do 35 odstotkov zaradi delno hladnega dela) boljšo odpornost proti SCC, vendar je nagnjena k pokanju med upogibanjem. Ta članek zagotavlja kvantitativno razumevanje razmerja med odstotkom nateznega raztezka, omejitvami glede oblikovanja pri upogibu in-odpornostjo na SCC med uporabo ter predlaga okvir specifikacij za uravnoteženje izkoristka proizvodnje z dolgoročno zanesljivostjo.

Metalurška osnova obratnega razmerja med duktilnostjo in odpornostjo na SCC

% raztezka nerjavečega jekla 316 je nadzorovan predvsem z velikostjo zrn in gostoto dislokacij. Popolnoma žarjene cevi (raztopina, žarjena pri 1040–1100 stopinjah, ki ji sledi hitro kaljenje) imajo povprečno velikost zrn ASTM 6–8 (30–50 µm), nizko gostoto dislokacij (10⁸–10⁹ cm⁻²) in vrednosti raztezka 45–55 % pri tipičnih vzdolžnih nateznih preskusih. Ta visoka duktilnost omogoča, da se cev upogne na ozke radije (razmerje R/D le 1,5) brez razpok, saj lahko zrna drsijo in se vrtijo, da se soočijo s plastično deformacijo. Vendar pa velika zrna in jasne meje zrn ponujajo stalne poti za širjenje SCC. V nastavitvah segretega klorida (60-100 stopinj, 500-2000 ppm Cl⁻) razpoke nastanejo pri drsnih stopnjah na površini in se transgranularno širijo vzdolž kristalografskih ravnin. V velikozrnatih strukturah lahko razpoka doseže 100–200 µm, preden naleti na zrnato pregrado, ki jo lahko preusmeri ali zaustavi. Majhna količina predhodne hladne obdelave (10-20 % zmanjšanje, kar ima za posledico vrednosti raztezka 25-35 %) povzroči znatno gostoto dislokacij in nastanek deformacijskih pasov in martenzita, ki ga povzroči deformacija. Te značilnosti delujejo kot ovire za širjenje loma, saj ustvarjajo zavite poti in spreminjajo stanje napetosti na konici razpoke. Odpornost na SCC se izboljša za 3- do 5-krat, kot je določeno s časom do okvare pri preskušanju vrelega magnezijevega klorida. Vendar pa isto hladno delo zmanjša tudi preostalo sposobnost oblikovanja za upogibanje. Cev s 25-odstotnim raztezkom je običajno mogoče upogniti na razmerje R/D le 2,5-3,0, preden pride do površinskih razpok, v primerjavi z 1,5-2,0 za popolnoma žarjen material.

Kvantifikacija meja upogibne preoblikovalnosti kot funkcije raztezka

Najmanjši radij upogiba za cevi iz nerjavečega jekla 316 brez zloma je tesno povezan z enakomernim raztezkom materiala. Enakomerni raztezek je deformacija, pri kateri se začne vrat. Za določen odstotek raztezka (e) je minimalni radij upogiba R min glede na zunanji premer cevi D približno R min /D=(50/e) - 0.5 za običajne premere cevi. To empirično razmerje, ki temelji na podatkih o preskusu upogiba za cevi z zunanjim premerom 10 do 20 mm, je koristen vodnik za določanje stanja cevi glede na želeno upognjeno geometrijo. Za grelnik, ki potrebuje 1,5D krivino (polmer 15 mm na 10 mm cevi), je potreben raztezek približno 45-50 %, zato so potrebne popolnoma žarjene cevi. Za 2,5D krivino je potreben raztezek znižan na 28-33 %, kar omogoča uporabo rahlo hladno-obdelanih (četrtinsko trdih) cevi. Za pregibne krivine 4D ali večje je dovolj raztezek 20-25 % in lahko uporabite poltrde cevi. Naslednja tabela podaja nekaj posebnih informacij v zvezi z zahtevanim upogibnim razmerjem, najmanjšim nateznim raztezkom, ki je potreben za oblikovanje brez razpok, in posledičnimi posledicami za odpornost proti SCC med uporabo.

Zahtevano razmerje radija upogiba (R/D) Najmanjši zahtevani raztezek za preprečevanje razpok (%) Priporočeno stanje cevi (trdota/hladno delo Odpornost na vroč klorid SCC (glede na popolnoma-žarjeno) Največji priporočeni klorid (ppm) pri 90 stopinjah Temperatura plašča 1,0-1,5 (izjemno tesen upogib) 48-55 Popolnoma žarjeno (80-90 HRB, 150-180 HV) Osnovna linija (1×)<300
1,5-2,0 (standardni U-kriv) 40-48 Popolnoma žarjeno ali rahlo žarjeno Izhodišče do 1,2×<400 2.0-2.5 33-40 Quarter-hard (88-95 HRB, 180-220 HV) 1.5-2× <800 2.5-3.0 28-33 Quarter-hard to half-hard (95-100 HRB, 220-250 HV) 2-3× <1500
3.0-4.0 22-28 Pol-trda (100-105 HRB, 250-280 HV) 3-4×<25004.0 (sweep bend) 18-22 Half hard to full hard (105-110 HRB, 280-320 HV) 4-5× <4000
Praktični kompromis za proizvajalce in specifikacije grelnikov

Za proizvajalca grelnikov je popolnoma žarjena cev najboljša izbira za maksimiranje proizvodnega izkoristka, saj je mogoče narediti tesne zavoje brez zloma in manj vzmetenja pomeni manj pritrditve. Vendar lahko grelnik, izdelan s popolnoma žarjenimi cevmi 316, tudi z ustrezno kemijo v razsutem stanju, zgodaj odpove v vodi,-ki vsebuje klorid, zaradi SCC-ne zato, ker je material slab, ampak zato, ker je mikrostruktura z visoko duktilnostjo naravno bolj ranljiva. Za končnega uporabnika, ki določa grelnik za znano kloridno okolje, je optimalna rešitev določitev cevi, ki so bile rahlo hladno-obdelane (15-20 % zmanjšanje, raztezek 25-35 %) pred upogibanjem, in izbira radija upogiba, ki ga ta material lahko sprejme. Če je uporaba 1,5D krivina (npr. kompaktna U-cev za majhen rezervoar), je lahko popolnoma žarjeno cevje edina praktična možnost. Uporabnik mora živeti s skrajšano življenjsko dobo SCC ali nadgraditi zlitino na 316L ali 316Ti s podobno duktilnostjo, vendar z boljšo odpornostjo na SCC zaradi manj ogljika ali dodatkov za stabilizacijo. Za nove modele bi navedba večjega radija upogiba (R/D večji ali enak 2,5), kadar koli je to praktično, omogočila uporabo četrtino trdih cevi, ki imajo bistveno boljšo odpornost na SCC z le majhnim kompromisom pri oblikovanju.

Metode validacije za zadosten raztezek in kakovost upogiba

Buyers who specify 316 sheathed heaters have three verification techniques to assure the tubing utilised has the specified elongation for both the required bend geometry and the predicted service environment. The first is the tensile test report from the tubing supplier, showing % elongation (usually measured over 50 mm, or 2 inches) and yield strength. Elongation must be >40 % za upogibne grelnike R/D < 2,0. Za R/D med 2,0-3,0 mora biti raztezek večji ali enak 30 %. Drugo preverjanje je preskus upogiba z navodili na vzorcu pravega cevja po upogibanju, vendar pred sestavljanjem v grelec. Preskus je upogib za 180 stopinj okoli trna z ustreznim polmerom z vizualnim opazovanjem pri 10-kratni povečavi. Raztezek je nezadosten za radij upogiba, če so razpoke daljše od 0,5 mm. Tretje preverjanje je preizkus trdote končnega grelnika na zunanjem polmeru upogiba. Če je trdota manjša od 250 HV, je bila cev pred upogibanjem ustrezno žarjena; če je večji od 320 HV, je bila cev preobremenjena v krivini iz delno žarjenega stanja, kar bo zmanjšalo duktilnost in hkrati povečalo odpornost proti SCC, vendar lahko prvo povzroči hitro pokanje. Za uporabo v okoljih, kjer je SCC zaskrbljujoč, preskus EPR (elektrokemična potenciokinetična reaktivacija) na vzorcu iz ravnega odseka končnega grelnika potrdi, da material ni bil popolnoma žarjen, vrednost EPR, večja od 1,5 C/cm2, kaže, da je ostalo nekaj hladnega dela, kar je koristno za odpornost na SCC.

Toplotna obdelava po-upogibanju: posebni vidiki in učinki na raztezek

If a heater needs both tight radius bends (R/D < 2.0) and excellent SCC resistance for chloride service, then post-bend solution annealing offers a way to satisfy both criteria. The tube can be fully annealed for bending (elongation >45%), formed to the tight radius and then given a full solution anneal (1040-1100°C, water quench) which relieves bending stresses, recrystallises the grain structure and removes cold work. This treatment restores the elongation to >45 %, vendar je odpornost na SCC enaka kot pri popolnoma žarjenem materialu-nič boljša. Tesnih upogibov in visoke odpornosti na SCC ni mogoče doseči z delno sprostitvijo napetosti po upogibu pri 400-500 stopinjah, ker ne rekristalizira zrnate strukture. Edini način za ohranitev hladne obdelave (in s tem odpornosti na SCC) po upogibanju je, da se krivina izvede s cevjo, ki je že v hladnem obdelanem stanju (npr. četrt-trda s 30 % raztezkom). Duktilnost četrt{16}}trde cevi mora biti takšna, da bo, če je potreben 2.0D upogib, prestala 2.0D upogib brez razpok. Če je R/D manjši od 2,0, se četrtino trde cevi običajno zlomijo, zato mora načrtovalec sprejeti večji R/D ali uporabiti popolnoma žarjene cevi z manjšo odpornostjo proti SCC ali nadgraditi na boljšo zlitino, odporno na SCC (duplex 2205), ki združuje visoko trdnost z dobro sposobnostjo oblikovanja.

Zaključek: Opredelitev raztezka kot parametra kakovosti za dva namena

Odstotek raztezka iz nateznega testiranja cevi z ovojom iz nerjavečega jekla 316 ni samo merilo sprejemljivosti kakovosti, ampak tudi neposreden napovednik najmanjšega polmera upogiba brez razpok med proizvodnjo grelnika in kasnejše odpornosti proti napetostni koroziji pri uporabi vročega klorida. Popolnoma žarjena cev (45-55% raztezek) nudi najboljšo sposobnost oblikovanja do upogibov s tesnim radijem R/D=1.5, vendar najmanjšo odpornost proti SCC. Hladno{14}}obdelane cevi (25-35 % raztezek) zagotavljajo izboljšano odpornost proti SCC, vendar zahtevajo daljše polmere upogiba (R/D > 2,5), da se prepreči pokanje med oblikovanjem. Izbira raztezka cevi je določena z določeno geometrijo upogiba in ocenjeno koncentracijo klorida. Inženirji, ki določajo oplaščene grelnike za kloridna okolja, morajo upoštevati oboje. Če aplikacija zahteva tesne upogibe in močno odpornost na SCC, je treba bodisi povečati radij upogiba, posodobiti zlitino na 316L ali duplex ali skrajšati ocenjeno življenjsko dobo. Kupci lahko določijo 316 ovojne cevi, ki najdejo ravnotežje med izdelovalnostjo in dolgoročno zanesljivostjo v korozivnih okoljih. Ta okvir povezuje natezni raztezek z dvojnostjo oblikovanja in odpornostjo proti SCC.