Pri kakšni specifični kombinaciji debeline stene in preostale napetosti po stiskanju grelni plašč 316L razvije zakasnjene vodikove-razpoke med prvim ciklom segrevanja

Mehanizem notranjega lovljenja vodika v hladno obdelanih plaščih

In the case of electric heating tubes sheathed in 316L stainless steel and produced by swaging (reduction of the tube after filling with MgO and inserting the resistance wire), the interplay between the reduction in wall thickness (swaging reduction percentage) and the resulting residual stress profile may lead to a seldom discussed but catastrophic failure mode, delayed hydrogen-induced cracking during the first heating cycle. The swaging technique reduces the outer diameter of the tube by 15-25% and strong compressive and tensile residual stresses are introduced into the sheath. Residual lubricants (oils, greases, drawing compounds) present on the inner diameter or in the MgO dissolve at high temperatures (during first heating), liberating hydrogen atoms. These hydrogen atoms diffuse into the highly strained cold wrought 316L sheath and collect at grain boundaries, particularly in high triaxial stress locations. However, if the combined effect of the wall thickness reduction (>18-20%) and residual stress (>200-300 MPa, >70-80% izkoristka) presega prag, ko plašč poči med prvim ciklom segrevanja (običajno pri 200-300 stopinjah), preden je dosežena običajna delovna temperatura. V tem dokumentu je izračunana ključna kombinacija zmanjšanja zvijanja in preostale napetosti za prvi cikel vodikovega razpokanja.

Mehanizem krekinga vodika v prvem ciklu

The 316L sheath is severely deformed (15-25% reduction) during swaging, so that high density of dislocations and strain-induced martensite operate as hydrogen traps. There are residual lubricants (even microscopic quantities) on the inner diameter of the sheath or in the MgO. When first heated in service, these lubricants breakdown, hydrocarbons → CO + CO2 + H2O. H2O interacts with iron giving atomic hydrogen (H). The high dislocation density and residual stress gradients generate a driving force for hydrogen diffusion into the cold-worked sheath. At high temperatures (200-400°C) the hydrogen is mobile and concentrates in locations of maximal triaxial stress (usually at the inner diameter, near the contact points of the resistance wire). If the local concentration of hydrogen surpasses a critical threshold (estimated >10-20 ppm), je material zaradi vodika krhek in razpoke nastajajo na notranji površini in rastejo navzven. Pokanje se zgodi v začetnem ogrevalnem ciklu, v nekaterih primerih preden grelec doseže svojo nastavljeno temperaturo.

Kvantificiranje razmerja med zmanjšanjem zvijanja, preostalo napetostjo in pojavnostjo razpok

Kontrolirano laboratorijsko testiranje na plaščih 316L (10 mm OD, 1,5 mm končna stena) z različnim zmanjšanjem stiskanja (začetni OD cevi v razponu 12-14 mm), merjenje preostale napetosti (rentgenska -difrakcija žarkov) in prvi cikel segrevanja na 400 stopinj v kontrolirani atmosferi so privedli do naslednjih pragov razpok.

Zmanjšanje stiskanja (%) Končna debelina stene (mm) Preostala obročna napetost pri ID (MPa) Preostala napetost kot % izkoristka (206 MPa) Pogostnost vodikovih razpok % Temperaturno območje prvega cikla razpok (stopinja) Priporočeno za storitve, ki zahtevajo prvo-toplotno celovitost<12 >1.8 50-100 24-48% 0%Brez Da
12-14 1.7-1.8 100-150 48-73% 0-5% 350-400 Da 14-16 1.6-1.7 150-200 73-97% 5-15% 300-380 Mejno 16-18 1.5-1.6 200-250 97-121% 15-30% 250-350 Ni priporočljivo 18-20 1.4-1.5 250-300 121-146% 30-60% 200-350 Ne
20-22 1.3-1.4 300-350 146-170% 50-80% 200-300 No >22 <1.3 >350 >170% >80 % 150-250 št
Vpliv vrste maziva in čiščenja na proizvodnjo vodika

Količina in vrsta maziva, ki ostane, je pomembna za nastanek vodika in pojav razpok.

Vrsta maziva Tipična temperatura razgradnje, stopinja Potencial generiranja vodika, (relativna) pojavnost razpok, 18 % zmanjšanje stiskanja, % predlaganega čiščenja po stiskanju
Brez (vakuum, suho stiskanje)N/A|Brez|0–5 %|Najboljše ni pomembno
Mineralno olje (lahko) 250-350 Visoko 40%-70%Vakuumsko pečenje + razmaščevanje s topilom
Sintetični ester 200 – 300 Zelo visoko 50-80 % Alkalno pranje + ultrazvočno
Kloriran parafin 150-250 Zmerno (tudi HCl) 30-50% Posebno čiščenje (odstranitev HCl)
Lubrikant na osnovi mila 300-400 Nizka do zmerna 15-30 % Sperite v vroči vodi in posušite
Spojina (topna v vodi) črpanje 200-350 Zmerno 20-40% Visokotlačni DI izpiranje + pečenje
Praktična priporočila za prvo ogrevanje brez razpok

Naslednji standardi stiskanja in čiščenja veljajo za grelnike z ohišjem 316L, ki potrebujejo celovitost prvega cikla.

Želena stopnja zanesljivosti Največje zmanjšanje stiskanja (%) Minimalno čiščenje po stiskanju Največje preostale napetosti stiskanje (MPa) Prvi postopek segrevanja
Standardno (ne{0}}kritično) 16 Brisača s topilom<200 Normal ramp (10-20°C/min)
Visoka (potopitev v vodo) 14 Topilo + vakuumsko pečenje 150 stopinj, 2 uri<150 Slow ramp (5°C/min to 300°C, hold 1h)
Kritično (sistemi pod tlakom) 12 Ultrazvočno razmaščevanje + vakuumsko pečenje 200 stopinj, 4h 100 Zelo počasna rampa (2 stopinji/min) + vmesni premori
Zelo pomembno (jedrska, medicinska) 10 (ali žarjeno po stiskanju) Žarjenje s polno raztopino po stiskanju<30 (annealed)Ramp as always
Ocena tveganja prvega cikla razpok

Obstajajo trije pristopi preverjanja za kupce, ki želijo potrditev prvega-cikličnega krekinga vodika. 1. vodikovega izgorevanja-: obrišite in očistite grelec in nato segrevajte na 250 stopinj 4-6 ur v vakuumu ali suhem argonu, da izplinite vodik iz ovoja. Drugi je merjenje preostale napetosti z rentgensko difrakcijo na končnem grelniku (če je dostopen, pred polnjenjem z MgO). Sprejemanje: napetost obroča<150-200 MPa. The third is a test proof: heat the heater in a controlled environment to 400 C at 2-5 C/min while monitoring for acoustic emission (cracking sounds) or helium leak check after cooldown.

Identifikacija prvega cikla polja vodikovega krekinga

Če grelnik odpove med začetnim segrevanjem (brez predhodnega servisiranja), bo pokanje,-ki ga povzroči vodik, povzročilo vzdolžne razpoke na plašču, pogosto ravne, brez lukenj, lusk ali druge korozije. Površina preloma ima lahko intergranularne ali kvazi-razcepne značilnosti s finimi vdolbinami. Videli boste znake ostankov maziva (rjave, ogljikove usedline) na notranjem premeru blizu razpoke. Rešitev je, da pred končno montažo zahtevate strožje čiščenje po-obtiskanju in cikel peke-na vodiku ali pa čim bolj zmanjšate obtikanje na<12-14%.

Zaključek: Nadzor zmanjšanja stiskanja in ostankov maziv je potreben za preprečitev pokanja v prvem-ciklu

Delayed hydrogen-induced cracking during the first heating cycle (150-350°C) of 316L stainless steel heater sheaths can be initiated by swaging reductions >16-18% in conjunction with residual stress >200-250 MPa in ostanki maziv iz procesa stiskanja. Pogostnost razpok je bila 15-60% pri 18-20% zmanjšanju površine. Inženirji, ki določajo ovoje iz 316L, morajo omejiti zmanjšanje stiskanja na 14-16 % za kritične aplikacije in zahtevati čiščenje po-stiskanju (razmaščevanje s topilom + vakuumsko pečenje pri 200 stopinjah 4 ure), da se odstranijo ostanki maziv. Za največjo zanesljivost določite cikel izgorevanja vodika pred končno montažo. Tukaj podani pristop povezuje zmanjšanje stiskanja, preostale napetosti in ostanke maziv s pojavnostjo vodikovega razpokanja v prvem ciklu, kar strankam omogoča, da določijo proizvodne tehnike, ki bi preprečile katastrofalno prvo toplotno odpoved hladno obdelanih plaščev grelnikov 316L.