Для инженеров-технологов и специалистов по коррозии, отвечающих за электрические погружные нагреватели в системах с охлаждением морской водой-, опреснительных установках и морских платформах, сочетание остаточных растягивающих напряжений от обжатия и воздействия хлоридов создает высокий риск коррозионного растрескивания под напряжением. Как установлено в Статье 10, коррозионное растрескивание под напряжением требует одновременного выполнения трех условий: восприимчивый материал, растягивающее напряжение и хлоридная среда с температурой выше 60 градусов. Процесс обжатия, используемый для уплотнения изоляции из оксида магния, создает значительные остаточные растягивающие напряжения на внутренней поверхности оболочки из 316. Для тонкостенных-оболочек толщиной менее 1,1 мм эти остаточные напряжения особенно высоки и проникают в большую часть толщины стенки, создавая почти непрерывный путь зарождения и распространения трещин. Последующий-обжимной отжиг-нагрев готового узла нагревателя до 1050 градусов с последующим быстрым охлаждением-снимает эти остаточные напряжения, значительно снижая склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением. В этой статье количественно определена взаимосвязь между толщиной стенки, величиной остаточного напряжения и необходимостью отжига после-обжимки для эксплуатации в морской воде.
Величина остаточных напряжений как функция толщины стенки после обжатия
Во время обжатия трубка 316 подвергается холодной обработке, поскольку ее диаметр вокруг заполненного MgO- сердечника уменьшается на 15–30%. Холодная обработка приводит к дислокациям и деформации зерен, сохраняя упругую энергию в виде остаточного напряжения. Рентгеновские дифракционные измерения остаточного напряжения на внутренней поверхности обжатых оболочек из 316 показывают сильную обратную зависимость от толщины стенки. При толщине стенки 0,8 мм остаточные растягивающие напряжения внутренней поверхности составляют от +250 до +350 МПа. Для стенки толщиной 1,0 мм диапазон составляет от +200 до +280 МПа. Для стенки толщиной 1,2 мм диапазон снижается до +150–+220 МПа. Для стенки толщиной 1,6 мм диапазон составляет от +100 до +160 МПа. Для стенки толщиной 2,0 мм остаточные напряжения падают от +50 до +100 МПа. Эти значения приближаются или превышают порог коррозионного растрескивания под напряжением в теплых хлоридных средах, который составляет примерно +150 МПа для нержавеющей стали 316 в морской воде при температуре 60 градусов. Оболочка с остаточным напряжением на внутренней поверхности выше 150 МПа подвержена образованию трещин в течение нескольких месяцев после воздействия. При давлении ниже 100 МПа риск существенно ниже. Таким образом, оболочки с толщиной стенки менее 1,2 мм имеют остаточные напряжения на внутренней поверхности, которые превышают безопасный порог, тогда как оболочки с толщиной стенки более 1,6 мм обычно оказываются ниже порога. Для промежуточного диапазона 1,2–1,6 мм риск зависит от конкретного снижения обжатия и температуры морской воды.
Процесс отжига и его влияние на остаточные напряжения и коррозионную стойкость
После-отжига при температуре 1050 градусов в течение 15–30 минут в защитной атмосфере-обычно аргоне или диссоциированном аммиаке-рекристаллизуется холодно-обработанная зернистая структура оболочки из 316. Этот процесс устраняет практически все остаточные напряжения, уменьшая значения внутренней поверхности до уровня ниже ± 20 МПа независимо от исходной толщины стенки. Однако отжиг имеет три потенциальных недостатка. Во-первых, высокая температура может привести к окислению внутреннего резистивного провода, если атмосфера не контролируется должным образом. Сплавы никеля-хрома образуют защитный оксид при температуре 1050 градусов, но чрезмерное окисление уменьшает поперечное сечение провода- и сокращает срок службы нагревателя. Во-вторых, отжиг смягчает оболочку из стали 316, снижая ее механическую прочность и номинальное давление примерно на 20–30 % по сравнению с состоянием холодной-вытяжки. Нагреватель, рассчитанный на давление 40 бар в-обжатом состоянии, после отжига может иметь ограничение до 30 бар. В-третьих, отжиг может вызвать сенсибилизацию-выделение карбида хрома на границах зерен-, если скорость охлаждения слишком низкая. Быстрое охлаждение, обычно закалка водой или принудительное газовое охлаждение, предотвращает сенсибилизацию и сохраняет коррозионную стойкость. Правильно выполненный отжиг не снижает стойкость к точечной или щелевой коррозии; это может фактически улучшить однородность пассивной пленки. Для тонкостенных-оболочек толщиной менее 1,1 мм преимущества от снятия остаточных напряжений намного перевешивают недостатки, поскольку в противном случае коррозионное растрескивание под напряжением ограничило бы срок службы месяцами, а не годами.
Матрица требований к толщине стенок и отжигу для морской воды
В следующей таблице приведены рекомендации по отжигу после-обжимки оболочек 316, предназначенных для эксплуатации в горячей морской воде при температуре выше 60 градусов. Значения предполагают постоянное или периодическое воздействие хлоридов и целевой срок службы, превышающий два года.
| Толщина стенки оболочки | Остаточное напряжение внутренней поверхности после обжатия | Риск коррозионного растрескивания под напряжением без отжига | Сообщение-Рекомендуется обжимной отжиг | Альтернативные рекомендации |
|---|---|---|---|---|
| Ниже 0,8 мм | Выше 350 МПа | Очень высокий; провал в течение нескольких недель | Обязательный | Рассмотрите возможность увеличения толщины стенок или модернизации сплава. |
| 0,8 – 1,0 мм | 250 – 350 МПа | Высокий; отказ в течение 1–6 месяцев | Обязательный | Отжиг необходим для любого применения в морской воде |
| 1,0 – 1,2 мм | 200 – 280 МПа | От умеренного до высокого; отказ в течение 6–18 месяцев | Настоятельно рекомендуется | Предпочтителен отжиг; приемлемо без только для прерывистого обслуживания |
| 1,2 – 1,4 мм | 150 – 220 МПа | Умеренный; отказ в течение 1–3 лет | Рекомендуется для непрерывной эксплуатации. | Без отжига, проверять ежегодно |
| 1,4 – 1,6 мм | 100 – 160 МПа | От низкой до умеренной; отказ в течение 3–5 лет | Необязательный | Без отжига может быть приемлемым срок службы 5 лет. |
| 1,6 – 2,0 мм | 50 – 100 МПа | Низкий; отказ маловероятен в течение 5 лет | Не требуется | Отжиг не дает существенной пользы |
| Выше 2,0 мм | Ниже 50 МПа | Очень низкий | Не требуется | Отжиг не нужен; может снизить прочность |
Для оболочек толщиной менее 1,2 мм, работающих в морской воде при температуре выше 60 градусов, отжиг после -обжимки представляет собой разницу между нагревателем, который выходит из строя в течение одного года, и нагревателем, который прослужит пять или более лет. Дополнительные затраты на отжиг-обычно составляют 15–25 % стоимости нагревателя-оправданы увеличенным сроком службы и устранением риска внезапного растрескивания.
Практические соображения по выбору отожженных тонкостенных-оболочек
При указании отжига после-обжимки для тонкостенных-оболочек 316 инженеры должны включить в спецификацию на закупку три дополнительных требования. Во-первых, требуют сертификации атмосферы отжига и скорости охлаждения. Сертификат соответствия, подтверждающий, что отжиг проводился при температуре 1050 ± 15 градусов в течение не менее 15 минут в неокисляющей атмосфере с закалкой водой или принудительным газовым охлаждением, обеспечивает гарантию правильной обработки. Во-вторых, необходимо провести тест на чувствительность в соответствии с ASTM A262, практика E. В ходе этого испытания образец отожженного материала оболочки подвергается воздействию кипящего раствора сульфата меди-меди и исследуется на межкристаллитное разрушение. Оценка соответствия подтверждает, что отжиг не вызвал сенсибилизации. В-третьих, требуется проверка того, что провод внутреннего сопротивления не поврежден окислением. Простое испытание сопротивления изоляции при комнатной температуре -минимум 100 МОм- подтверждает, что MgO и провод остаются неповрежденными. В нагревателях, которые были неправильно отожжены на воздухе, резистивный провод может быть полностью окислен, и нагреватель покажет короткое замыкание или очень низкое сопротивление. При крупносерийном-производстве инженеры должны запросить разрушающие образцы поперечного-среза из первого производственного цикла, чтобы проверить зеренную структуру и отсутствие межзеренных карбидов. Стоимость этой квалификации невелика по сравнению со стоимостью сбоев в эксплуатации при использовании морской воды, где замена вышедшего из строя нагревателя часто требует остановки судна, слива и очистки. Правильно отожженная тонкостенная-оболочка 316 обеспечивает преимущества термической реакции тонких стенок и устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением толстых стенок-лучшую из обоих миров, когда требуется как быстрый нагрев, так и стойкость к морской воде.
