Pro námořní inženýry, kteří specifikují elektrické ponorné ohřívače pro pobřežní plošiny, lodní systémy a pobřežní průmyslové závody, vytváří kombinace cyklického mechanického zatížení a koroze chloridy zvláště agresivní mechanismus selhání známý jako korozní únava. Na rozdíl od čisté únavy na vzduchu nebo čisté koroze ve statických podmínkách způsobuje korozní únava iniciaci trhlin při výrazně nižších amplitudách napětí a kratší životnosti cyklu. Zbytková napětí vzniklá během procesu pěchování-používaná ke zhutnění izolace z oxidu hořečnatého kolem odporového drátu-interagují s provozním napětím a buď urychlují nebo zpomalují růst trhliny v závislosti na jejich znaménku a velikosti. Tento článek kvantifikuje, jak tloušťka stěny pláště z nerezové oceli 316 ovlivňuje distribuci zbytkového napětí po pěchování a jak tato zbytková napětí modifikují životnost korozní únavy v mořském prostředí.
Generování zbytkového napětí během pěchování 316 pouzder
Když je trubka z nerezové oceli 316 zhutněna z většího průměru na menší průměr kolem jádra naplněného MgO-, proces vyvolá charakteristický vzor zbytkového napětí. Vnější povrch pláště je vystaven zbytkovým tlakovým napětím, protože lisovací nástroje tlačí materiál dovnitř, zatímco vnitřní povrch je vystaven tahovým zbytkovým napětím, když zhutněný MgO tlačí ven během pružného odpružení. Velikost těchto zbytkových napětí závisí na tloušťce stěny vzhledem ke zmenšení průměru. U tenkostěnného pláště pod 1,0 mm proniká pěchovací síla téměř celou tloušťkou stěny a vytváří vysoké tlakové napětí na vnějším povrchu, obvykle -200 až -300 MPa, a mírné tahové napětí na vnitřním povrchu, +50 až +100 MPa. U tlustostěnného pláště nad 1,8 mm je síla pěchování absorbována primárně ve vnějších vrstvách, což vytváří vysoké tlakové napětí pouze v blízkosti vnějšího povrchu, zatímco vnitřní vrstvy zůstávají relativně nedotčené. Tahová napětí na vnitřním povrchu jsou také nižší, protože zhutnění MgO je méně úplné. Rentgenová difrakční měření zbytkového napětí v zapěstovaných 316 pláštích tento vztah potvrzují. Stěnový plášť o tloušťce 0,9 mm vykazoval povrchové tlakové napětí -280 MPa. 1,5 mm stěnový plášť vykazoval -180 MPa. 2,0 mm stěnový plášť vykazoval pouze -120 MPa. Tenčí plášť ukládá příznivější tlakové napětí na vnějším povrchu, což je místo, kde obvykle vznikají trhliny způsobené korozní únavou.
Jak zbytkové tlakové napětí zpomaluje korozi únavou iniciaci trhlin
Iniciace korozních únavových trhlin v nerezové oceli 316 vyžaduje jak cyklické namáhání v tahu, tak korozivní elektrolyt obsahující chloridy. Prasklina začíná v povrchové jámě nebo inkluzi, kde došlo k porušení ochranného pasivního filmu. Pokud je povrch ve stavu zbytkového tlakového napětí, musí aplikované cyklické tahové napětí nejprve překonat toto stlačení, než materiál zažije čisté napětí na špičce trhliny. To účinně zvyšuje prahové napětí pro iniciaci trhlin. Pro plášť 316 o tloušťce 0,9 mm se zbytkovým tlakem na povrchu -280 MPa aplikované cyklické napětí +200 MPa vytváří na povrchu síť pouze -80 MPa, která zůstává v tlaku a není schopna iniciovat únavovou trhlinu. Pouze v případě, že aplikované cyklické napětí překročí +280 MPa, je povrch vystaven síťovému napětí. Naproti tomu 2,0 mm plášť s povrchovou kompresí pouze -120 MPa zažívá čisté napětí, když aplikované napětí překročí +120 MPa, což je mnohem nižší práh. Testování korozní únavy v syntetické mořské vodě při 60 °C tento efekt potvrzuje. Vzorky s tloušťkou stěny 0,9 mm a vysokou zbytkovou kompresí přežily 10 milionů cyklů při 250 MPa aplikovaném střídavém namáhání bez iniciace trhlin. Vzorky s tloušťkou stěny 2,0 mm a nízkou zbytkovou kompresí selhaly po 2 milionech cyklů při stejném aplikovaném napětí. Tenčí plášť poskytoval pětkrát delší korozní únavovou životnost, přestože měl menší absolutní tloušťku stěny.
Rozdíl-mezi zbytkovým napětím a rezervou tloušťky stěny
Výhoda tenkostěnných plášťů z koroze-musí být v rovnováze se sníženým okrajem materiálu, jakmile prasklina začne. Plášť o tloušťce 0,9 mm s vysokou zbytkovou kompresí může odolat iniciaci trhlin po miliony cyklů. Jakmile však trhlina překoná pole zbytkového napětí, možná v důsledku velké povrchové jámy nebo přechodného přetížení, musí se před perforací rozšířit pouze 0,9 mm materiálu. Plášť o tloušťce 2,0 mm s nižším zbytkovým stlačením může iniciovat trhlinu po menším počtu cyklů, ale trhlina musí projít 2,0 mm, aby způsobila selhání. Celkový život do selhání je součtem života zasvěcení a života propagace. Experimentální data z korozních únavových zkoušek rotujícího paprsku v mořské vodě při 60 °C ukazují následující celkové cykly do porušení pro pláště 316 o vnějším průměru 10 mm při střídavém namáhání 200 MPa. Pochva o průměru 0,8 mm dosáhla celkem 12 milionů cyklů, z toho 11,5 milionu pro iniciaci a 0,5 milionu pro propagaci. Pochva o průměru 1,2 mm dosáhla 8 milionů cyklů, z toho 7 milionů pro iniciaci a 1 milion pro propagaci. Pochva o průměru 1,6 mm dosáhla 5 milionů cyklů, z toho 3 miliony pro iniciaci a 2 miliony pro propagaci. 2,0 mm pochva dosáhla 3,5 milionu cyklů, z toho 1,5 milionu pro iniciaci a 2 miliony pro propagaci. Tenkostěnné pouzdro s vysokou zbytkovou kompresí poskytuje nejdelší celkovou životnost i přes minimální okraj šíření.
Matice výběru života koroze a únavy pro mořské prostředí
Následující tabulka uvádí doporučené tloušťky stěny pláště 316 pro elektrické ponorné ohřívače v mořském prostředí na základě očekávané amplitudy cyklického namáhání a požadované životnosti. Hodnoty předpokládají nepřetržité vystavení mořské vodě nebo brakické vodě o teplotě 30–60 °C a standardním procesům pěchování bez následného- žíhání.
| Očekávaná amplituda cyklického napětí | Požadovaná životnost | Doporučená tloušťka stěny pláště 316 | Režim dominantního selhání | Odůvodnění návrhu |
|---|---|---|---|---|
| Nízká, pod 50 MPa | Více než 10 let | 1,2 – 1,6 mm | Štěrbinová koroze | Přínos zbytkového stresu méně důležitý; přídavek na korozi řídí tl |
| Střední, 50 – 150 MPa | 5 – 10 let | 1,0 – 1,2 mm | Iniciace korozní únavy | Tenká stěna poskytuje vysokou zbytkovou kompresi pro prevenci trhlin |
| Střední, 50 – 150 MPa | Více než 10 let | 1,4 – 1,6 mm s přídavným-zápustným žíháním | Propagace po iniciaci | Žíhání odstraňuje přínos zbytkového napětí; spoléhat na tloušťku okraje |
| Vysoká, 150 – 250 MPa | 3 – 5 let | 0,8 – 1,0 mm | Iniciace korozní únavy | Maximální zbytková komprese nezbytná; akceptovat kratší životnost |
| Vysoká, 150 – 250 MPa | Více než 5 let | Není možné s 316 | Přetížení nebo rychlé praskání | Upgradujte na Incoloy 825 nebo titan |
| Variabilní s častým přetížením | Jakákoli životnost | 1,6 – 2,0 mm | Propagace po neočekávaném prasknutí | Tloušťka okraje chrání před nepředvídatelnými událostmi |
Pro aplikace, kde cyklická napětí vznikají z vibrací, cyklů tepelné roztažnosti nebo kolísání tlaku, je měření nebo odhad amplitudy napětí zásadní. Pokud měření není možné, předpokládá se mírná úroveň napětí 100 MPa konzervativní výchozí hodnota. V takových případech nabízí tloušťka stěny 1,2 mm nejlepší rovnováhu mezi přínosem zbytkového napětí a rozpětím šíření. Inženýři by také měli zvážit specifikaci dodatečného-žíhání pro zápustku pro tlustostěnné-plášťové pláště určené pro aplikace s vysokým-cyklem. Žíhání při 1 050 °C zcela odstraňuje zbytková napětí, čímž eliminuje přínos korozní únavy tenkých stěn, ale také eliminuje tahová zbytková napětí na vnitřním povrchu, která mohou přispívat k šíření trhlin. Žíhaný 1,6mm plášť se chová podobně jako nežíhaný 1,2mm plášť z hlediska celkové únavové životnosti, což poskytuje alternativní cestu k dosažení dlouhé životnosti bez spoléhání se na tenké stěny. Volba mezi tenkými stěnami s vysokým zbytkovým napětím a silnými stěnami s žíháním závisí na výrobních možnostech a nákladech. Pro většinu námořních aplikací, kde jsou přítomny vibrace, ale nejsou silné, tloušťka stěny 1,2 až 1,4 mm se standardním pěchováním poskytuje spolehlivý výkon při únavě z koroze bez nutnosti speciálního zpracování.
