R Painutusprotsess, eriti kui seda tehakse külmtõmmatud torude kitsa raadiusega, tekitab plastilise deformatsiooni, mis muudab metastabiilse säilinud austeniidi deformatsioonist põhjustatud martensiidiks. See teisendus vähendab painutatud piirkonna efektiivset punktide tekitamise takistuse ekvivalentarvu (PREN), isegi kui alusmaterjal vastab nominaalselt 316 koostise nõuetele. Elektrokeemiliste katsete katseandmed näitavad, et 316 roostevabast terasest mantli külmalt painutatud sektsioonide -roostevabast terasest ümbrise kriitiline temperatuur (CPT) võib olla 15–25 kraadi madalam kui sama kuumuse tõttu painutamata osadel. Rakendustes, mis hõlmavad madala -kloriidisisaldusega, kuid kõrge{15}}temperatuuriga vett (nt 80–95 kraadi, 50–100 ppm Cl⁻), nihutab see vähendamine tihtipeale painutatud tsooni passiivsest olekust aktiivsesse täkkesse, põhjustades kütteseadme enneaegse rikke. See artikkel kvantifitseerib seose painderaadiuse, deformatsiooni-indutseeritud martensiidifraktsiooni ja löögitundlikkuse vahel, pakkudes projekteerimisinseneridele valikuraamistikku, mis määrab vormitud 316 roostevabast terasest sukelsoojendi mõõdukalt agressiivsete vesikeskkondade jaoks.
Metallurgiline mehhanism{0}}indutseeritud martensiidist külmas-painutatud roostevabast terasest 316
Roostevaba terase 316 austeniitstruktuur on termodünaamiliselt stabiilne ainult teatud virnastamisvea energia korral. Külmtöötlemisel temperatuuril, mis on madalam kui martensiidi algustemperatuur (Ms), annab mehaaniline deformatsioon piisavalt energiat, et käivitada nihkemuundumine näo-keskse kuubikujulisest austeniidist ( ) keha-keskse tetragonaalseks martensiidiks ('). Roostevaba terase 316 puhul on Ms temperatuur ligikaudu -40 kraadi, kuid deformatsioonist põhjustatud martensiit moodustub toatemperatuuril, kui tegelik plastiline deformatsioon ületab läviväärtuse. Painutamine asetab ümbrise välimised kiud pingesse ja sisemised kiud kokkusurumisse. Tõmbeküljel on maksimaalne plastiline deformatsioon, mis arvutatakse ε=t / (2R), kus t on seina paksus ja R on painderaadius, mõõdetuna toru keskjooneni. Tüüpilise 12 mm läbimõõduga toru puhul, mille seinapaksus 1,2 mm on painutatud 24 mm keskjoone raadiusega (2D painutus), on välimine kiu deformatsioon 0,05 (5%). 15 mm raadiuses (1,25D painutus) suureneb deformatsioon 0,08-ni (8%). Magnetferriidi mõõtmised Fischer Feritscope'iga näitavad, et 5% tõmbepinge indutseerib umbes 8–12% martensiiti, samas kui 8% deformatsioon annab roostevabast terasest 316 15–25% martensiiti.
Martensiidi moodustumise mõju korrosioonikindlusele on kahekordne. Esiteks on martensiidil madalam kroomi ja molübdeeni lahustuvus kui austeniidil, mis põhjustab faasipiiridel kroomi -vaesemaid piirkondi. Teiseks toimib martensiit austeniidi suhtes katoodfaasina, luues galvaanilised mikroelemendid, mis kiirendavad külgneva austeniidi anoodset lahustumist. Potentsiodünaamilised polarisatsiooniskaneeringud 100 ppm kloriidilahuses 80 kraadi juures näitavad, et külm-painutatud 316 roostevaba teras, mis sisaldab 15% martensiidi, omab punktide tekitamise potentsiaali +150 mV versus Ag/AgCl, samal ajal kui sama materjali puhul on täielikult ümberkristalliseeritud olekus +350. See 200 mV nihe tähendab, et painutatud piirkond nõuab aukude algatamiseks oluliselt madalamat anoodset polarisatsiooni.
Kvantitatiivne seos painderaadiuse ja täppide eluea vahel
Kontrollitud keelekümbluskatsed U--kujuliste roostevabast terasest küttekehadega (seina paksus 1,5 mm, välisläbimõõt 12 mm) sünteetilises jahutusvees (80 ppm Cl⁻, 200 ppm SO₄²⁻, pH 7,2, raadius 85 kraadi) näitavad järgmist rikete raadiust. Iga küttekeha töötati pinnasoojusvooga 8 W/cm² ja rike määratleti kui perforatsioon, mis oli tingitud välimise painde tipust.
Painde raadius 36 mm (3D, deformatsioon ≈3,3%): keskmine täkketõrge pärast 2100 tundi. Martensiidi sisaldus mõõdetuna paindetipus: 6%. Süvendid tekkisid mitmes kohas, kuid levisid aeglaselt.
Painde raadius 24 mm (2D, deformatsioon 5,0%): keskmine tõrge 1150 tunni pärast. Martensiidi sisaldus: 11%. Süvendid algavad eelistatavalt tõmbepoolsete deformatsioonide tippudest.
Painde raadius 18 mm (1,5D, deformatsioon 6,7%): keskmine aukude purunemine 550 tunni pärast. Martensiidi sisaldus: 18%. Kohalik korrosioon on koondunud 2 mm laiusesse riba piki välimist kurvi.
Painde raadius 12 mm (1D, deformatsioon 10%): keskmine täkketõrge 180 tunni pärast. Martensiidi sisaldus: 27%. Mõne proovi kiire perforatsioon, millega kaasneb pragunemine.
Rakendustes, kus protsessivesi sisaldab kõrgemat kloriidi kontsentratsiooni (300–500 ppm), väheneb täppide tööiga iga käänderaadiuse juures veel 2–3 korda. Vastupidiselt, kui vee temperatuur jääb alla 50 kraadi, on martensiidi{5}}indutseeritud täppide moodustumise kiirendus tühine, kuna kriitiline punktide tekke temperatuur jääb isegi painutatud sektsioonide töötemperatuurist kõrgemaks.
Kurvides lokaliseeritud aukude paigaldamise termilised ja mehaanilised tagajärjed
Punktide tõrge painderaadiuses on eriti problemaatiline, kuna geomeetria koondab pinget. Kui süvend tungib läbi ümbrise seina, puutub sisemine kütteelement (tavaliselt NiCr või FeCrAl traat) kokku protsessivedelikuga. Veepõhistes-süsteemides põhjustab see kohese maandusvea ja kütteseadme väljalülitamise. Kuid isegi enne täielikku perforeerimist tekitavad osalise -paksusega süvendid lokaalsed kuumad kohad, kuna ülejäänud seinapaksus kaevu põhjas on kõrgem soojustakistus ja lokaalne voolutihedus. 30% seina läbitungiga küttekeha infrapunatermograafia kõveras näitab pinnatemperatuuri tõusu 35–50 kraadi võrra ümbritseva kesta temperatuurist. See kuum koht kiirendab veelgi korrosiooni ja võib lokaalse ülekuumenemise tõttu põhjustada sisetakistusjuhtme läbipõlemist. Surve all olevates süsteemides võib süvend, mis ei tungi täielikult läbi, siiski toimida pingetõstjana, tekitades väsimuspraod, kui küttekeha läbib termotsükli.
Painutamisel tekitatud tõmbe jääkpinged soodustavad teatud tingimustel ka pingekorrosioonipragunemist (SSC). Roostevaba terase 316 puhul kloriidi -sisaldavas keskkonnas tekitab jääktõmbepinge (sageli 100–250 MPa paindeväliskiu), martensiidi ja kõrgendatud temperatuuri kombinatsioon sünergilise purunemismehhanismi. Juhtumiuuringud keemiliste perioodiliste reaktorite kohta näitavad, et U-kujulised 316 küttekehad, mis painutasid 1,5D raadiusega 200 ppm Cl⁻ töös 95 kraadi juures, ebaõnnestusid transgranulaarse SCC tõttu 300 tunni jooksul, samas kui identsed 3D raadiusega painutatud soojendid töötasid ilma pragudeta üle 3000 tunni.
Painderaadiuse valikujuhend kloriiditaseme ja töötemperatuuri põhjal
Järgmine otsustusmaatriks aitab inseneridel määrata roostevabast terasest 316 roostevabast terasest elektriküttetoru U-kujulise või kohandatud-vormingu minimaalse painderaadiuse. Iga kloriidi kontsentratsiooni ja ümbrise maksimaalse temperatuuri kombinatsiooni jaoks on ette nähtud soovitatav minimaalne R/t suhe (painderaadius jagatud toru välisläbimõõduga), et piirata martensiidi moodustumist alla 5%.
| Maksimaalne kloriidi kontsentratsioon (ppm) | Katte maksimaalne temperatuur ( kraad ) | Soovitatav minimaalne painderaadius (toru OD kordsena) | Eeldatav pitsting{0}}tasuta eluiga (tundides) | Post{0}}Painde kuumtöötlus on vajalik? |
|---|---|---|---|---|
| < 50 | < 60 | 2.0 D | > 5000 | Ei |
| 50 – 100 | < 60 | 2.0 D | > 4000 | Ei |
| 50 – 100 | 60 – 90 | 2.5 D | > 3000 | Ei |
| 50 – 100 | 90 – 110 | 3.0 D | > 2000 | Soovitatav (võimaluse korral lahuse lõõmutamine) |
| 100 – 300 | < 50 | 2.5 D | > 3000 | Ei |
| 100 – 300 | 50 – 80 | 3.0 D | > 2000 | Soovitatav |
| 100 – 300 | 80 – 100 | 4.0 D | > 1000 | Nõutav |
| 300 – 600 | < 60 | 3.5 D | > 1500 | Nõutav |
| 300 – 600 | 60 – 90 | 4.0 D | > 800 | Nõutav + kaaluge sulami uuendamist (Incoloy 825) |
| > 600 | mis tahes temperatuur | Vältige külma painutamist; kasutage sirgeid küttekehasid või kuum{0}}vormitud käänakuid | Ei kohaldata | Kasutage sirget 316 või vahetage vastupidavama sulami vastu |
Rakenduste jaoks, mis nõuavad mõõdukates kloriidikeskkondades kompaktseid U-paindeid, mis on väiksemad kui 2,5D, võivad tootjad rakendada pingejärgse struktuuri ümberkristallimiseks ja martensiidi eemaldamiseks -paindejärgset lahusega lõõmutamist (kuumutamine kuni 1050 kraadini, millele järgneb kiire veega karastamine). Valmis küttekehade lõõmutamine lahusega on aga sageli ebapraktiline, kuna sisemine kütteelement ja otste tihendid ei talu neid temperatuure. Sellistel juhtudel pakub praktilise alternatiivi suurema painderaadiuse määramine või vormitavama, kuid samavõrra korrosioonikindla -sulami (nt 316Ti, mis sisaldab karbiidide stabiliseerimiseks ja martensiidi kalduvuse vähendamiseks titaani) vastu vahetamine.
Täiendavad meetmed painde{0}}korrosiooni leevendamiseks
Kui konstruktsioonipiirangud sunnivad 316 roostevabast terasest ümbrisele tihedat painderaadiust, võivad kolm tehnilist meedet osaliselt taastada korrosioonikindluse. Esiteks vähendab toru seina paksuse suurendamine enne painutamist väliskiu pinget antud painderaadiuse korral, kuna deformatsioon on võrdeline t/R-ga. 1,8 mm raadiusega 1,5D painutatud seinatoru kogeb väiksemat pinget kui sama raadiusega painutatud 1,2 mm seinatoru, mis vähendab martensiidi teket ligikaudu 30%. Teiseks, madalama süsinikusisalduse määramine 316L (maksimaalselt 0,03% C) 316 (0,08% C) asemel parandab vastupidavust sensibiliseerimisele painutamisel ja mis tahes järgneval keevitamisel, kuigi see ei takista otseselt martensiidi teket. Kolmandaks eemaldab paindejärgse elektropoleerimise teostamine õhukese pinnakihi (20–50 µm), mis sisaldab suurimat martensiiditihedust ja deformatsioonist põhjustatud defekte. Elektrokeemilised testid näitavad, et 1,5D painde elektropoleerimine taastab täppide tekitamise potentsiaali 50 mV täpsusega võrreldes painutamata seisukorraga, pikendades kasutusiga kolm korda võrreldes poleerimata kurviga.
Painderaadiuste määramine usaldusväärsete 316 roostevabast terasest küttekehade jaoks
U{0}}kujuliste või kohandatud -painutatud 316 roostevabast terasest elektriküttetorudele hinnapakkumist taotledes peaksid projekteerijad sõnaselgelt märkima minimaalse painderaadiuse toru välisläbimõõdu kordsena koos eeldatava kloriidikontsentratsiooni ja protsessivedeliku maksimaalse töötemperatuuriga. Vältige tootja standardse painderaadiuse (sageli 2D või 1,5D) vaikimisi järgimist, kontrollimata ühilduvust oma veekeemiaga. Uute paigalduste puhul, mille vee karedus ja kloriidisisaldus on tüüpiline kommunaalvarustusele (50–150 ppm Cl⁻, 60–80 kraadi töötemperatuur), määrake minimaalne 3D painderaadius, et tagada martensiidi sisaldus alla 5% ja saavutada prognoositud auguvaba eluiga, mis ületab 10 000 tundi. Kui ruumipiirangud nõuavad painutusi, mis on tihedamad kui 2,5D, taotlege tarnijalt deformatsiooni-indutseeritud martensiidi mõõtmist (kasutades ferritskoopi või röntgendifraktsiooni) näidiskõverate puhul ja kaaluge elektropoleerimist või paindejärgset{20}}pingete leevendamist. Seades esikohale painderaadiuse kui seina paksuse ja pinnaviimistlusega võrdse tähtsusega projekteerimismuutuja, saavad protsessiinsenerid ära hoida enneaegseid tõrkeid, mis ei tulene mitte sirgetest osadest, vaid iga kurvi haavatavast välimisest kiust.
