Kakšna največja dovoljena globina oznak površinskega brušenja po končni obdelavi brez središča grelnih cevi 316 preprečuje začetek razpok zaradi napetostne korozije v 500 ppm kloridne vode pri 90 stopinjah

Površinska praska kot mesto koncentracije napetosti za začetek SCC

Prag za začetek razpok zaradi napetostne korozije (SCC) v kloridnih okoljih za 316 električnih grelnih cevi z oplaščenim nerjavnim jeklom, ki so bile brez središča brušene ali mehansko polirane kot končna končna operacija za doseganje majhnih toleranc premera ali gladkih površin, je neposredno nadzorovano z globino preostalih sledi brušenja, običajno 5–50 µm, odvisno od velikosti abrazivnega zrna in hitrosti podajanja. Vsaka brusna oznaka je geometrijski koncentrator napetosti s teoretičnim faktorjem koncentracije napetosti (K_t) v razponu od 1,5 za gladko, plitvo oznako (globina<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 µm, polmer korenine<2 µm). 500 ppm chloride water at 90 oC. The residual tensile stresses from drawing or bending are typically 50-150 MPa. Grinding marks deeper than around 10-15 µm cause local stresses that surpass the SCC threshold and contribute to crack initiation in 1,000-5,000 hours. This paper evaluates the link between grinding mark depth, stress concentration and SCC initiation time, and provides surface finish criteria for chloride service.

Mehanizem iniciacije SCC na površinskih zarezah

316 napetostno korozijsko razpokanje v vročih kloridih zahteva tri pogoje: občutljivo mikrostrukturo (običajno nekaj hladnega dela), dolgotrajno natezno napetost in agresivno kloridno okolje. Na dnu oznake površinskega brušenja je lokalna natezna napetost podana z $σ_{local}=σ_{applied}×K_{t}$, kjer je $K_{t}$ funkcija geometrije oznake (razmerje med globino in polmerom). Tipična oznaka brušenja z globino d in radijem korena ρ daje K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). Plitka, zaobljena vdolbina (d=5 µm, ρ=10 µm) daje K_t≈1+2×sqrt(0,5)=2.4. Za globoko ostro oznako (d=20 $\\mu$m, $\\rho$=2 $\\mu$m) ocenjujemo $K_t\\približno 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . Za uporabljeno preostalo napetost 100 MPa je lokalna napetost 240-730 MPa – nad mejo tečenja 205 MPa in daleč v območje, kjer se SCC hitro pojavi. Razpoka se začne pri koncentraciji napetosti in napreduje z anodnim raztapljanjem na konici razpoke, ki jo poganja uporabljena napetost, dokler se stena plašča ne prebije.

Kvantitativno razmerje med globino oznake brušenja in začetkom SCC

Nadzorovano testiranje SCC (neprekinjena obremenitev, U-upogib ali C-obročasti vzorci) 316 cevi z nadzorovano globino površinskega brušenja (doseženo s spreminjanjem abrazivnega zrna in hitrosti podajanja) v 500 ppm kloridne vode pri 90 stopinjah je določilo bistvene globine za začetek SCC v določenih časovnih obdobjih.

Največja globina oznake brušenja (µm) Tipična površinska hrapavost (Ra, µm) Polmer korena oznake (µm, tipično) Faktor koncentracije napetosti (K_t) Čas do začetka SCC (ure, 500 ppm Cl-, 90 stopinj, 100 MPa preostale napetosti) Čas do perforacije (1,5 mm stene po začetku) Priporočeno za 500 ppm Cl-, 90 stopinjska storitev<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30.000 Da (ekvivalent elektropoliranja)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10,000–20,000 15,000–25.000 Da 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5,000–10,000 8,000–15.000 Sprejemljivo 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500–5,000 4,000–8.000 Mejno 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1,000-2,500 2,000-4,000 Ni priporočljivo
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1,000–2,000 Ni sprejemljivo
20-30 1.5-2.0 2-3 6.0-8.0 200-500 400-1,000 Unacceptable30 >2.0 <2 >8.0 <200 <400 Unacceptable 
Vpliv stopnje preostale napetosti na dovoljeno globino oznake

Dovoljena globina sledi brušenja je zelo odvisna od preostale natezne napetosti plašča. Večje preostale napetosti zahtevajo plitvejše oznake za preprečitev SCC. Največja dovoljena globina oznake za številne stopnje preostale napetosti, 500 ppm Cl⁻, 90 stopinj, je predstavljena v spodnji tabeli.

Preostala natezna napetost (MPa) Največja dovoljena globina oznake za brušenje za 10.000-ur življenjske dobe brez SCC (µm) Zahtevana hrapavost površine (Ra, µm) Priporočena metoda končne obdelave<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (risanje)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (srednja risba)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (kot-upognjen, brez razbremenitve napetosti)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Praktična storitev kloridnih končnih specifikacij

Naslednja merila površinske obdelave so priporočena za 316 oplaščene grelnike za delovanje v kloridni vodi nad 200 ppm pri temperaturah nad 80 stopinj na podlagi ocenjenega stanja preostale napetosti.

Metoda končne obdelave Največja globina oznake za brušenje Največja Ra Metoda preverjanja Stanje preostale napetosti
Zmanjšana napetost (žarjeno po oblikovanju)Brez središča, zrnatost 400-60010 µm 0,5 µm Vizualno + profilometer 50×
Kot vlečen ali upognjen (brez zmanjšanja napetosti) Fino brušen + blago loščen 5 µm 0,3 µm Profilometer
Visoka vsebnost kloridov Kot narisano Kot upognjeno Elektropoliranje (odstranite 20-30 µm)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Katera koli, za kritične storitve Elektropoliranje + pasiviranje0 (oznake v celoti odstranjene)<0.1 µmComplete surface inspection
Identifikacija polja SCC, ki ga povzroča oznaka mletja

Pri grelnikih, ki jih SCC pokvari pri delu s kloridom, je treba raziskati površino loma, da bi ugotovili, kje je prišlo do loma. Pod povečavo (100-500 ×) bo izvorna točka razpoke pogosto sovpadala z oznako brušenja ali prasko. Oznaka bo vidna kot ostro definiran utor, pogosto s produkti korozije, ki se prednostno zbirajo v utoru. Razpoke SCC se širijo normalno na smer oznake brušenja (če so oznake obodne, so razpoke aksialne, in če so oznake aksialne, so razpoke običajno obodne, vendar lahko sledijo oznaki). Če so prisotne oznake brušenja in ima delovno okolje kloride nad 200 ppm in temperature višje od 80 stopinj, je treba sumiti na SCC zaradi sledi brušenja. Odgovor je, da za prihodnje nakupe zahtevamo elektropolirane ali fino polirane površine in da umaknemo sedanje grelnike ali poliramo površino plašča, če je dostopna (redko izvedljivo).

Zaključek: Omejitve globine oznake za mletje za uporabo s kloridom

Grinding markings >10-12 µm zagotavlja koncentratorje napetosti in zniža čas iniciacije SCC za grelnike iz nerjavečega jekla 316 v 500 ppm kloridne vode pri 90 stopinjah z 20,000+ ur na 2000-5000 ur. SCC se začne v 500-1000 urah pod normalnimi preostalimi napetostmi na globinah, globljih od 20 µm. Za kloridne storitve bi morali inženirji, ki izberejo 316 plašče, določiti največjo globino oznak brušenja (npr. manj kot ali enako 8 µm) ali enakovredno največjo površinsko hrapavost (npr. Ra manj kot ali enako 0,5 µm) in zaprositi za preverjanje s profilometrijo. Za najbolj neugodne kloridne razmere ali kjer preostalih napetosti ni mogoče zmanjšati na minimum, elektropoliranje za odstranitev hladno obdelane, opraskane površinske plasti v celoti odstrani koncentratorje napetosti, povezane s sledi brušenja. Tukaj predlagani pristop povezuje globino oznake brušenja z merljivimi časi začetka SCC, kar kupcu omogoča, da določi tehnike končne obdelave površine, ki preprečujejo prezgodnji začetek razpok na površinskih napakah.