Vilket maximalt tillåtet djup av ytslipmärken efter centrumlös ytbehandling av 316 värmeslangar förhindrar spänningskorrosionssprickbildning i 500 ppm kloridvatten vid 90 grader

Ytrepan som plats för spänningskoncentration för SCC-initiering

Tröskeln för initiering av spänningskorrosionssprickning (SCC) i kloridmiljöer för 316 rostfria stålmantlade elektriska värmerör som har slipats eller mekaniskt polerats som den slutliga efterbehandlingsoperationen för att uppnå snäva diametertoleranser eller släta ytor styrs direkt av djupet på kvarvarande slipmärken, beroende på µm-50 gr. kurs. Varje slipmärke är en geometrisk spänningskoncentrator, med en teoretisk spänningskoncentrationsfaktor (K_t) som sträcker sig från 1,5 för ett jämnt, grunt märke (djup)<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 µm, rotradie<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.

Mekanism för SCC-initiering vid Surface Notches

316 spänningskorrosionssprickning i heta klorider kräver tre tillstånd: en mottaglig mikrostruktur (vanligtvis något kallt arbete), en långvarig dragspänning och en aggressiv kloridmiljö. Vid basen av ett ytslipmärke ges den lokala dragspänningen av $σ_{local}=σ_{applied}×K_{t}$ där $K_{t}$ är en funktion av märkets geometri (förhållande mellan djup och radie). Ett typiskt slipmärke med djup d och rotradie ρ ger K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). En grund, rundad buckla (d=5 µm, ρ=10 µm) ger K_t≈1+2×sqrt(0.5)=2.4. För ett djupt skarpt märke (d=20 $\\mu$m, $\\rho}$, uppskattar vi ${muKt $\\rho}$${1. 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . För en applicerad restspänning på 100 MPa är den lokala spänningen 240 -730 MPa över sträckgränsen på 205 MPa och långt in i området där SCC uppträder snabbt. En spricka börjar vid spänningskoncentrationen och avancerar via anodisk upplösning vid sprickspetsen, driven av den applicerade spänningen tills mantelväggen genomborras.

Kvantitativt samband mellan slipmärkesdjup och SCC-initiering

Kontrollerad SCC-testning (kontinuerlig belastning, U-böj eller C-ringprover) av 316 rör med kontrollerade djupslipmärken (uppnås genom att ändra slipkorn och matningshastighet) i 500 ppm kloridvatten vid 90 grader har fastställt de väsentliga tidsintervallen för SCC gränser.

Maximalt slipmärkedjup (µm) Typisk ytjämnhet (Ra, µm) Markrotradie (µm, typisk) Spänningskoncentrationsfaktor (K_t) Tid till SCC-initiering (timmar, 500 ppm Cl-, 90 grader , 100 MPa för restväggpåkänning (1. mm) Rekommenderad tid till 5 mm initiering 500 ppm Cl-, 90 graders service<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30 000 Ja (motsvarande elektropolerad)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10,000-20,000 15,000-25,000 Ja 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5,000-10,000 8,000-15 000 Acceptabelt 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500-5,000 4,000-8 000 Marginal 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1,000-2,500 2,000-4,000 Rekommenderas inte
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1,000-2,000 Ej tillåtet
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 
Inverkan av nivån av kvarstående spänning på det tillåtna märkesdjupet

Det tillåtna djupet av slipmärken varierar mycket beroende på mantelns kvarvarande dragspänning. Högre restspänningar kräver grundare markeringar för att förhindra SCC. Det maximalt tillåtna märkesdjupet för många restspänningsnivåer, 500 ppm Cl⁻, 90 grader presenteras i tabellen nedan.

Återstående dragspänning (MPa) Maximalt tillåtet slipmärkedjup i 10 000 -timmar SCC-fri livslängd (µm) Erforderlig ytråhet (Ra, µm) Rekommenderad ytbehandlingsmetod<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (ritning)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (måttlig ritning)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (som-böjd, ingen stressavlastning)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Praktisk service för kloridfinishing

Följande ytfinishkriterier rekommenderas för 316 mantlade värmare för användning i kloridvatten över 200 ppm vid temperaturer över 80 grader baserat på det uppskattade restspänningstillståndet.

Slutlig bearbetningsmetod Maximalt slipmärke Djup Maximalt Ra Kontrollmetod Restspänningstillstånd
Stresslindrad (glödgad efter formning) Centerlös slipning, 400-600 korn10 µm 0,5 µmVisuell + profilometer 50×
Som dragen eller böjd (ingen spänningsminskning) Finslipad + mild polering 5 µm 0,3 µm Profilometer
Höga kloridhalter Som ritad Som böjd elektropolish (ta bort 20-30 µm)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Alla, för kritiska tjänsterElectropolish + passivering0 (märken helt borttagna)<0.1 µmComplete surface inspection
Fältidentifiering av SCC inducerad av slipmärke

För värmare som har gått sönder av SCC i kloridtjänst bör brottytan undersökas för brottets ursprungsort. Under förstoring (100-500×) kommer sprickans ursprungspunkt ofta att sammanfalla med ett slipmärke eller repa. Märket kommer att ses som ett skarpt definierat spår, ofta med korrosionsprodukter som företrädesvis samlas i spåret. SCC-sprickorna fortplantar sig vinkelrätt mot slipmärkets riktning (om märkena är periferiska är sprickorna axiella och om märkena är axiella är sprickorna vanligtvis periferiska men kan följa märket). Om slipmarkeringar finns och servicemiljön har klorider över 200 ppm och temperaturer över 80 grader bör SCC på grund av slipmärken misstänkas. Svaret är att kräva elektropolerade eller finpolerade ytor för framtida köp, och att ta bort nuvarande värmare eller polera mantelytan på plats om det är tillgängligt (sällan praktiskt).

Slutsats: Gränser för slipmärkesdjup för kloridservice

Grinding markings >10-12 µm ger spänningskoncentratorer och sänker SCC-initieringstiden för 316 värmare i rostfritt stål i 500 ppm kloridvatten vid 90 grader från 20,000+ timmar till 2000-5000 timmar. SCC startar efter 500-1000 timmar under normala restspänningsnivåer på djup djupare än 20 µm. För kloridservice bör ingenjörer som väljer 316 mantlar ange ett maximalt djup av slipmärken (t.ex. Mindre än eller lika med 8 µm), eller motsvarande en maximal ytjämnhet (t.ex. Ra Mindre än eller lika med 0,5 µm) och be om verifiering genom profilometri. För de mest fientliga kloridförhållandena eller där kvarvarande spänningar inte kan minimeras, avlägsnar elektropolering för att ta bort det kallbearbetade, repade ytskiktet de spänningskoncentratorer som är förknippade med slipmärken helt och hållet. Det tillvägagångssätt som föreslås här relaterar slipmärkesdjupet till mätbara SCC-initieringstider, vilket gör det möjligt för köparen att specificera ytbehandlingstekniker som undviker för tidig sprickinitiering vid ytdefekter.