Ứng suất dư kéo bề mặt tối đa cho phép từ việc làm thẳng con lăn của ống gia nhiệt 316 ngăn chặn sự ăn mòn ứng suất trong nước clorua 200 ppm ở 80 độ trong 10 năm

Trình điều khiển SCC dài hạn-: Căng thẳng còn lại gây ra bởi việc làm thẳng

Đối với các ống gia nhiệt điện được bọc bằng thép không gỉ 316 được sản xuất sau khi kéo hoặc ủ bằng cách làm thẳng con lăn, ứng suất dư kéo bề mặt được tạo ra bởi quá trình làm thẳng con lăn thường là yếu tố quan trọng nhất kiểm soát độ nhạy cảm với sự ăn mòn do ứng suất (SCC) trong dịch vụ clorua ấm. Tùy thuộc vào độ cong ban đầu của ống, độ lệch của con lăn và số lần làm thẳng, việc làm thẳng con lăn có thể dẫn đến ứng suất kéo bề mặt là 50-250 MPa. Ứng suất kéo ngưỡng cho SCC bắt đầu khi ủ 316 trong nước clorua 200 ppm ở 80 độ là khoảng 120-140 MPa (hiệu suất 60-70%). Ứng suất kéo dư tối đa cho phép trên bề mặt trong thời gian sử dụng 10 năm không có SCC là 100 MPa. Các vết nứt bắt đầu sau 1-3 năm trên 120 MPa, vài tháng trên 150 MPa. Mối liên hệ giữa ứng suất dư do nắn thẳng, thời gian bắt đầu SCC và tuổi thọ sử dụng trong điều kiện clorua loãng được định lượng trong bài viết này.

Cơ chế ứng suất bề mặt do làm thẳng

Việc làm thẳng con lăn làm biến dạng dẻo bề mặt ống dưới tác dụng kéo và nén xen kẽ để loại bỏ độ cong. Tại mỗi điểm tiếp xúc của con lăn, các sợi bên ngoài của ống phải chịu biến dạng kéo thường từ 0,2 đến 1,5% tùy thuộc vào mức độ làm thẳng. Đối với thép không gỉ 316 có cường độ chảy khoảng 205 MPa (ủ) đến 450 MPa (gia công nguội), các biến dạng này tạo ra ứng suất dư từ 50 MPa (làm thẳng nhẹ ống thẳng) đến 250 MPa (làm thẳng ống cong nặng). Biên dạng ứng suất dư tập trung cao ở bề mặt, với ứng suất lớn nhất ở phía ngoài 20-100 lm của tường. Lớp mỏng, có độ căng cao này rất phù hợp cho việc khởi tạo SCC vì các vết nứt hình thành gần bề mặt và lan truyền qua trường ứng suất dư. Ngược lại, lực căng dư không giảm đáng kể theo thời gian ở 80 độ.

Mối tương quan định lượng giữa ứng suất duỗi thẳng và tuổi thọ SCC ở 80 độ

Thử nghiệm SCC có hệ thống (tải trọng liên tục, mẫu uốn U{0}}) của 316 ống với mức ứng suất dư bề mặt được điều chỉnh (được đo bằng nhiễu xạ tia X-) trong nước clorua 200 ppm (pH 7,5, có sục khí) ở 80 độ đã cho thấy thời gian bắt đầu và lan truyền như sau.

Tối đa. Ứng suất dư kéo bề mặt do làm thẳng (MPa) Ứng suất tính theo% năng suất (ủ 316, 205 MPa) Thời gian bắt đầu vết nứt SCC (giờ, 80 độ, 200 ppm Cl- ) Thời gian thủng (tường 1,5 mm, giờ) Tổng thời gian sử dụng (năm)Được khuyến nghị cho Dịch vụ 10 năm<50 <25% >80,000 >100,000 >11 năm Có 50-75 25-37% 50.000-80,000 60,000-100.0007-11 năm Có 75-100 37-49% 30.000-50,000 40,000-70,000 5-8 năm Có được trong 10 năm không? Biên 100-120 49-59% 15.000-30,000 20,000-45,000 2-5 nămKhông có gì (10 năm)
59-68% 8,000-15,000 10,000-25,000 1-3 years 120-140No 140-160 68-78% 3,000-8,000 5,000-15,000 6-18 monthsNo 160-200 78-98 % 1,000-3,000 2,000-6,000 3-8 monthsNo >200 >98% <1,000 <2,000 <3 months No
Ảnh hưởng của độ dày thành đến khả năng chịu ứng suất dư

Các bức tường dày hơn sẽ phân phối ứng suất từ ​​việc làm thẳng một cách khác nhau, do đó có nhiều vật liệu hơn để hỗ trợ sự phát triển của vết nứt. Bảng dưới đây chỉ ra ứng suất dư tối đa cho phép để làm thẳng trong thời gian sử dụng 10 năm như là một hàm số của độ dày thành.

Độ dày thành (mm) Ứng suất dư tối đa cho phép khi duỗi thẳng trong thời gian sử dụng 10 năm (MPa) Tương đương Gia công nguội tối đa được phép khi duỗi thẳng (%)
1.0 60 5-8 1.2 75 8-10 1.5 100 10-12 2.0 120 12-15 2.5 130 15-18 3.0 140 18-20 Thông số kỹ thuật thực tế - Làm thẳng sau khi ủ

Các thông số làm thẳng sau đây cần được đề cập trong giấy tờ mua sắm cho 316 lò sưởi có vỏ bọc cho nhiệm vụ clorua ấm (80 độ , 200 ppm Cl⁻):

Tình trạng ống trước khi làm thẳng Ứng suất dư bề mặt tối đa sau khi làm thẳng (MPa) Phương pháp làm thẳng Phương pháp xác minh
100% được ủ (không có ứng suất) Nhiễu xạ tia X{1}} trên mẫu Nhiều lượt, độ lệch trục lăn nhỏ
Vẽ nguội nhẹ (10-15% CW) 80 Độ lệch con lăn giảm thiểu Ferritescope+XRD
60 Một lượt, ít bù đắp Lạnh vừa phải-(15-25% CW)Không phù hợp với dịch vụ clo. .
Như-uốn cong (trước đây chưa được làm thẳng) 80 (được đo trên phần thẳng)Chỉ làm thẳng nếu cần XRD bắt buộc
Xác nhận ứng suất dư trong ống thẳng

Người mua muốn mức độ căng thẳng dư thừa được chứng nhận có ba kỹ thuật xác minh. Đầu tiên là nhiễu xạ tia X (XRD), cho phép đo trực tiếp ứng suất dư bề mặt với độ chính xác ±20 MPa. Thứ hai là thử nghiệm uốn cong U- theo tiêu chuẩn ASTM G38 trong đó mẫu ống-nhận được được uốn cong 180 độ và sau đó ngâm trong magie clorua đang sôi (154 độ ) hoặc, đối với các điều kiện có thể so sánh hơn, trong clorua 200 ppm ở 80 độ . Vết nứt xảy ra trong vòng 100 giờ trong MgCl 2 hoặc 2.000 giờ trong dung dịch mô phỏng{16}}sử dụng khi ứng suất dư trên 100–120 MPa. Phương pháp thứ ba là đo độ thấm từ: ứng suất dư gây ra thẳng trong 316 không liên quan trực tiếp đến độ thấm nhưng có thể phát hiện được sự phát triển martensite cục bộ ở mức ứng suất cực đại. Đối với các ứng dụng quan trọng, độ tin cậy cao nhất đạt được bằng phép đo XRD trên một mẫu duy nhất từ ​​mỗi lô sản xuất.

Chẩn đoán hiện trường về SCC từ việc làm thẳng

For a 316 heater that fails by SCC in 80°C, 200 ppm chloride water, straightening-induced residual stress should be suspected if the cracks are located in straight sections of the sheath (not at bends or welds) and are orientated longitudinally (parallel to tube axis) corresponding to the straightening roller contact direction. The cracks can be in several parallel lines, 10-20 mm apart. Under magnification the fractures are transgranular and branching typical of chloride SCC. Residual stress measurements of a piece of remnant sheath from the failure (XRD) are generally >120-150 MPa. Biện pháp khắc phục những sai sót này là chỉ định, đối với những lần mua hàng trong tương lai, quá trình ủ giảm ứng suất sau ép thẳng (400-450 độ trong 1-2 giờ) sẽ giảm thiểu ứng suất dư xuống 50-70% mà không làm thay đổi đáng kể chất lượng cơ học.

Mối tương quan giữa ứng suất dư khi duỗi thẳng và uốn

Nếu bộ gia nhiệt được chế tạo thẳng (trước khi uốn) và sau đó được uốn cong để có hình dạng cuối cùng thì biến dạng dư từ cả hai quy trình có thể góp phần gây ra. Ứng suất dư tổng thể cao nhất thường thấy ở bán kính uốn cong bên ngoài ở phía chịu biến dạng duỗi thẳng. Đối với các thiết bị sưởi như vậy, ứng suất làm thẳng cho phép phải được giảm thêm. Một tiêu chí thận trọng là tổng ứng suất dư khi duỗi thẳng và ứng suất dư uốn (được đo ở cùng một vị trí) không được lớn hơn 100 MPa trong tuổi thọ 10-năm ở 200 ppm Cl- ở 80 độ .

Kết luận: Dịch vụ clorua Đặc tính ứng suất thẳng thấp

Ngưỡng thiết yếu để khởi động SCC đối với bộ gia nhiệt bọc thép không gỉ 316 trong nước clorua 200 ppm ở 80 độ là ứng suất dư kéo bề mặt ~100-120 MPa. Đối với ứng suất kéo thẳng vượt quá 120 MPa, vết nứt bắt đầu xuất hiện sau 1-3 năm và đối với biến dạng dưới 100 MPa thì tuổi thọ sử dụng đạt được là 10 năm. Đối với dịch vụ clorua ấm, các kỹ sư chỉ định vỏ bọc 316 nên chỉ định việc làm thẳng ống với độ lệch con lăn tối thiểu, kiểm tra ứng suất dư bằng XRD trên các ống mẫu và ủ giảm căng thẳng sau khi làm thẳng (400 độ trong 1 giờ) nếu clorua vượt quá 200 ppm hoặc nhiệt độ vượt quá 70 độ. Cách tiếp cận được đề xuất ở đây liên quan đến ứng suất dư do nắn thẳng với thời gian bắt đầu và thủng SCC có thể đo lường được, cho phép người mua chỉ định kỹ thuật sản xuất để tránh nguồn rủi ro nứt tiềm ẩn nhưng đáng kể này.