Hur påverkar 316-hylsan i rostfritt stål väggtjockleken på restspänningsfördelningen efter spackling och dess effekt på korrosionsutmattning i marina miljöer?

Korrosionsutmattning är en särskilt aggressiv felmekanism för elektriska doppvärmare som specificeras av mariningenjörer för offshoreplattformar, ombordsystem och kustindustrianläggningar när cyklisk mekanisk belastning och kloridkorrosion kombineras. Korrosionsutmattning leder till sprickinitiering vid mycket lägre spänningsamplituder och kortare cykellivslängder än ren utmattning i luft eller ren korrosion i statiska miljöer. De kvarvarande spänningarna som genereras av sänkning (som pressar ihop magnesiumoxidisoleringen runt motståndstråden) samverkar med driftsspänningar och antingen accelererar eller fördröjer brottbildning beroende på deras tecken och storlek. Denna artikel kvantifierar effekten av mantelns väggtjocklek på fördelningen av kvarvarande spänningar efter smidning och effekten av dessa kvarvarande spänningar på korrosionsutmattningslivet i en marin miljö.

Generering av kvarstående stress vid sänkning av 316 höljen
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1,8 mm) absorberas presskraften mestadels i de yttre skikten och stora tryckspänningar uppstår endast nära den yttre ytan, varvid de inre skikten är relativt opåverkade. Dragspänningarna vid den inre ytan reduceras också på grund av den mindre fullständiga packningen av MgO. Röntgendiffraktionsstudierna av kvarvarande spänning i 316 höljen validerar denna korrelation. För en 0,9 mm väggmantel var yttryckspänningen -280 MPa. En 1,5 mm väggmantel var -180 MPa. 2.0 mm väggmantel avslöjade bara -120 MPa. Det tunnare höljet har gynnsammare tryckspänning vid den yttre ytan där korrosionsutmattningssprickor i allmänhet bildas.

Roll av kvarvarande tryckspänning för att retardera korrosionsutmattningssprickinitiering
Den cykliska dragspänningen och den korrosiva elektrolyten som innehåller klorider orsakar korrosionsutmattningsbrottstart i 316 rostfritt stål. Sprickan börjar vid en ytgrop eller inneslutning där den passiva skyddsbeläggningen har misslyckats. Om ett kvarvarande tryckspänningstillstånd finns på ytan, måste den applicerade cykliska dragspänningen övervinna denna kompression för att producera nettospänning vid sprickspetsen. Detta ökar avsevärt den spänningsnivå som krävs för att initiera en spricka. Om ytrestkompressionen är -280 MPa och den applicerade cykliska spänningen är +200 MPa, så är nettot vid ytan -80 MPa. Detta är fortfarande tryckande och kan inte initiera en utmattningsspricka. Nätspänningen finns bara om den cykliska spänningen är över +280 MPa. Som jämförelse är en 2,0 mm mantel som har bara -120 MPa ytkompression i nettospänning när den applicerade spänningen är större än +120 MPa, en mycket lägre tröskel. Korrosionsutmattningstester i syntetiskt havsvatten vid 60°C bekräftar denna effekt. Prover med en väggtjocklek på 0,9 mm och avsevärd kvarvarande kompression upprätthöll 10 miljoner cykler vid 250 MPa applicerad växelspänning utan sprickstart. Vid samma applicerade belastning misslyckades prover med liten kvarvarande kompression och 2,0 mm väggtjocklek efter 2 miljoner cykler. Det tunnare höljet gav fem gånger längre korrosionsutmattningslivslängd trots minskad absolut väggtjocklek.

Växla-mellan återstående stressfördel och väggtjockleksmarginal
Tunna-väggar har fördelen av korrosionsutmattning men detta måste balanseras mot den nedre materialmarginalen om en spricka skulle börja. En 0,9 mm mantel med avsevärd kvarvarande kompression kan motstå sprickinitiering i miljontals cykler. Varje spricka som har övervunnit det kvarvarande spänningsfältet, antingen genom en stor ytgrop eller en tillfällig överbelastning, har bara 0,9 mm material att fortplanta sig genom innan perforering. En 2,0 mm mantel med mindre kvarvarande kompression kan inducera en spricka på färre cykler, men sprickan måste fortplanta sig 2,0 mm för att orsaka fel. Total livslängd till brott=Initieringslivslängd + utbredningstid Korrosionsutmattningstest i saltvatten vid 60°C i en roterande strålapparat ger följande totala cykler till brott för 10 mm ytterdiameter 316 höljen vid 200 MPa växelspänning. Ett 0,8 mm hölje uppnådde totalt 12 miljoner cykler, 11,5 miljoner för initiering och 0,5 miljoner för fortplantning. Höljet på 1,2 mm klarade 8 miljoner cykler, 7 miljoner för initiering och 1 miljon för fortplantning. Höljet på 1,6 mm klarade 5 miljoner cykler (3 miljoner för initiering och 2 miljoner för fortplantning). 2,0 mm manteln gick i 3,5 miljoner cykler, varav 1,5 miljoner var för initiering och 2 miljoner för fortplantning. Den tunna-väggiga manteln har den högsta kvarvarande kompressionen och den längsta totala livslängden, även om utbredningsmarginalen är liten.

Marin miljö Korrosion Trötthet Livslängd Valmatris
Följande tabell visar rekommenderade 316 manteltjocklekar för elektriska elpatron i marin drift beroende på uppskattad cyklisk spänningsamplitud och nödvändig livslängd. Värdena är för kontinuerlig exponering för havsvatten eller bräckt vatten vid 30–60°C och även för normala sänkningstekniker utan efter-spolglödgning.

Förväntad cyklisk spänningsamplitud Erforderlig livslängd Rekommenderad 316 Mantelväggtjocklek Dominant felläge Designmotiv
Låg, under 50 MPaÖver 10 år 1,2 – 1,6 mm Korrosion i sprickor Tjocklek på grund av korrosionstillägg, restspänningsfördelar mindre betydande
Måttlig, 50 – 150 MPa 5 – 10 år 1,0 – 1,2 mm Korrosionsutmattningsinitiering Tunn vägg ger hög kvarvarande kompression för att förhindra sprickbildning
Måttlig, 50 till 150 MPa10 år eller mer 1,4 – 1,6 mm med efter-swagglödgning Utbredning från ursprungsglödgning minskar fördelen från kvarvarande spänning; använd tjockleksmarginal
Hög, 150 – 250 MPa 3 – 5 år 0,8 – 1,0 mm Korrosionsutmattningsinitiering Acceptera kort livslängd, maximal kvarvarande kompression väsentligt
High, 150 – 250 MPa>5 år316 Ej möjligt Överbelastning eller snabb sprickbildning Byt ut mot Incoloy 825 eller titan
Variabel med många överladdningarAll livslängd 1,6 – 2,0 mm Propag. efter oväntad spricka. Tjockleksmarginal skyddar mot oförutsedda händelser
I applikationer där cykliska spänningar induceras av vibrationer, termiska expansionscykler eller tryckförändringar är det viktigt att kunna mäta eller uppskatta spänningsamplituden. I avsaknad av mätning är en måttlig spänningsnivå på 100 MPa en försiktig standard. I dessa fall ger väggtjockleken på 1,2 mm den optimala kompromissen mellan fördelen med kvarvarande spänning och marginalen för utbredning. Ingenjörer bör också överväga att rekommendera efter-swagglödgning för tjocka-väggar som används i hög-tillämpningar. Glödgning vid 1050 grader tar helt bort restspänningar och därmed korrosionsutmattningsvinsten av tunna väggar, men även de dragrestspänningar på innerytan som kan leda till sprickutbredning. Ett glödgat 1,6 mm hölje har en liknande total utmattningslivslängd som ett icke-glödgat 1,2 mm hölje, och erbjuder ett alternativt tillvägagångssätt för att uppnå lång livslängd utan att lita på tunna väggar. Valet av tunna väggar med hög restspänning eller tjocka väggar med glödgning beror på tillverkningskapacitet och kostnad. För de flesta marina applikationer där vibrationer förekommer men inte kraftiga, kommer normal smidning att erbjuda tillförlitlig korrosionsutmattning utan extra bearbetning om väggtjockleken är i intervallet 1,2 till 1,4 mm.