Производња електричних грејних цеви од нерђајућег челика 316 у облику слова У- или по мери-уводи металуршки ризик који се често занемарује у стандардним спецификацијама за корозију. Процес савијања, посебно када се изводи са уским радијусима на хладно-вученим цевима, генерише пластичну деформацију која претвара метастабилни задржани аустенит у мартензит изазван деформацијом{5}}. Ова трансформација смањује ефективни еквивалентни број отпорности на точење (ПРЕН) савијеног региона, чак и када основни материјал номинално испуњава 316 захтева састава. Експериментални подаци из електрохемијског испитивања показују да хладно-савијени делови омотача од 316 нерђајућег челика могу да испоље критичне температуре удубљења (ЦПТ) за 15–25 степени ниже од несавијених делова од исте топлоте. За апликације које укључују воду ниске{14}}хлоридне али високе{15}}температуре (нпр. 80–95 степени, 50–100 ппм Цл⁻), ово смањење често помера савијену зону из пасивног стања у активно удубљење у року од неколико месеци рада, што доводи до превременог квара грејача. Овај чланак квантификује однос између радијуса савијања, фракције мартензита изазване деформацијом{23}}и подложности удубљивању, пружајући оквир за избор за инжењере дизајна који специфицирају формиране грејаче од нерђајућег челика 316 за урањање за умерено агресивне водене средине.
Металуршки механизам деформације-индукованог мартензита у хладно-савијеном нерђајућем челику 316
Аустенитна структура нерђајућег челика 316 је термодинамички стабилна само изнад одређене енергије грешке слагања. Током хладног рада на температурама испод почетне температуре мартензита (Мс), механичка деформација обезбеђује довољну енергију да покрене трансформацију смицања из -кубичног аустенита центрираног на лице ( ) у -тетрагонални мартензит центриран на тело ( '). За нерђајући челик 316, температура Мс је приближно -40 степени, али се мартензит изазван напрезањем формира на собној температури када права пластична деформација премаши граничну вредност. Савијање доводи спољашња влакна омотача у напетост, а унутрашња на компресију. Затезна страна доживљава максимално пластично напрезање, израчунато као ε=т / (2Р), где је т дебљина зида, а Р радијус савијања мерен до средишње линије цеви. За типичну цев од 12 мм ОД са дебљином зида од 1,2 мм савијеном до полупречника средишње линије од 24 мм (2Д кривина), спољна деформација влакна је 0,05 (5%). При радијусу од 15 мм (1,25Д кривина), деформација се повећава на 0,08 (8%). Мерења магнетног ферита помоћу Фисцхер Феритсцопе-а откривају да 5% затезне деформације индукује приближно 8-12% ' мартензита, док 8% деформација даје 15-25% мартензита у нерђајућем челику 316.
Последица формирања мартензита на отпорност на корозију је двострука. Прво, мартензит има нижу растворљивост хрома и молибдена од аустенита, што доводи до региона са-осиромашеним хромом на границама фаза. Друго, мартензит делује као катодна фаза у односу на аустенит, стварајући галванске микроћелије које убрзавају анодно растварање суседног аустенита. Потенциодинамичка поларизациона скенирања у 100 ппм раствора хлорида на 80 степени показују да хладно-савијени нерђајући челик 316 са 15% мартензита испољава потенцијал питинга од +150 мВ у односу на Аг/АгЦл, док се исти материјал у потпуно рекристализованом стању}м{10} ексхистализовао. Ово померање од 200 мВ значи да савијени регион захтева знатно нижу анодну поларизацију да би се покренуле јаме.
Квантитативни однос између радијуса савијања и живота удубљења
Контролисани тестови потапања коришћењем грејача од нерђајућег челика 316 у облику слова У- (дебљина зида 1,5 мм, спољни пречник 12 мм) у синтетичкој расхладној води (80 ппм Цл⁻, 200 ппм СО₄²⁻, пХ 7,2, 85 степени) показују на основу следећег узорка радијуса савијања. Сваки грејач је радио при површинском топлотном флуксу од 8 В/цм², а квар је дефинисан као перфорација услед удубљења на врху спољне кривине.
Полупречник савијања 36 мм (3Д, деформација ≈3,3%): Просечно оштећење удубљења после 2100 сати. Садржај мартензита мерен на врху савијања: 6%. Јаме су настале на више локација, али су се полако размножавале.
Полупречник савијања 24 мм (2Д, деформација 5,0%): Просечно оштећење удубљења после 1150 сати. Садржај мартензита: 11%. Јаме првенствено инициране на врховима затезних бочних напрезања.
Полупречник савијања 18 мм (1,5Д, деформација 6,7%): Просечно оштећење удубљења после 550 сати. Садржај мартензита: 18%. Локализована корозија концентрисана у траци ширине 2 мм дуж спољне кривине.
Полупречник савијања 12 мм (1Д, деформација 10%): Просечно оштећење удубљења после 180 сати. Садржај мартензита: 27%. Брза перфорација праћена пуцањем у неким узорцима.
За апликације где процесна вода садржи веће концентрације хлорида (300–500 ппм), животни век удубљења на сваком полупречнику савијања се смањује за додатни фактор од 2–3. Супротно томе, када температура воде остане испод 50 степени, мартензит-индуковано убрзање таложења је занемарљиво јер критична температура удубљења остаје изнад радне температуре чак и за савијене делове.
Термичке и механичке последице локализованог удубљења на кривинама
Отказивање удубљења на радијусу савијања је посебно проблематично јер геометрија концентрише напон. Када јама продре у зид омотача, унутрашњи грејни елемент (обично НиЦр или ФеЦрАл жица) постаје изложен процесној течности. У системима{2}}базираним на води, ово изазива тренутни квар на земљи и гашење грејача. Међутим, чак и пре потпуне перфорације, јаме делимичне{4}}дебљине стварају локалне вруће тачке јер преостала дебљина зида на дну јаме има већи топлотни отпор и локализовану густину струје. Инфрацрвена термографија грејача са 30% пенетрације у зид на кривини показује повишење површинске температуре од 35–50 степени изнад температуре околног омотача. Ова врућа тачка додатно убрзава корозију и може довести до прегоревања жице унутрашњег отпора због локализованог прегревања. У системима под притиском, јама која не продире у потпуности може и даље деловати као подизач напрезања, изазивајући заморне пукотине када грејач пролази кроз термичке циклусе.
Заостала затезна напрезања изазвана савијањем такође подстичу пуцање од корозије под напоном (ССЦ) под одређеним условима. За нерђајући челик 316 у срединама које садрже хлорид-, комбинација преосталог затезног напона (често 100–250 МПа на савијању спољашњег влакна), мартензита и повишене температуре ствара синергистички механизам квара. Студије случаја из хемијских серијских реактора показују да је 316 грејача у облику У- савијених до 1,5Д радијуса у 200 ппм Цл⁻ сервису на 95 степени отказало трансгрануларним СЦЦ у року од 300 сати, док су идентични грејачи савијени у 3Д радијусе радили више од 3000 сати без пуцања.
Водич за избор радијуса савијања на основу нивоа хлорида и радне температуре
Следећа матрица одлучивања помаже инжењерима да одреде минималне радијусе савијања за електричне грејне цеви од У-облика или прилагођене-формиране од нерђајућег челика 316. За сваку комбинацију концентрације хлорида и максималне температуре омотача, препоручени минимални однос Р/т (радијус савијања подељен са спољним пречником цеви) је обезбеђен да би се ограничило формирање мартензита на испод 5%.
| Максимална концентрација хлорида (ппм) | Максимална температура омотача (степен) | Препоручени минимални радијус савијања (као умножак ОД цеви) | Очекивани -слободан живот (сати) | По-потребна је топлотна обрада после савијања? |
|---|---|---|---|---|
| < 50 | < 60 | 2.0 D | > 5000 | бр |
| 50 – 100 | < 60 | 2.0 D | > 4000 | бр |
| 50 – 100 | 60 – 90 | 2.5 D | > 3000 | бр |
| 50 – 100 | 90 – 110 | 3.0 D | > 2000 | Препоручено (ако је могуће жарење раствора) |
| 100 – 300 | < 50 | 2.5 D | > 3000 | бр |
| 100 – 300 | 50 – 80 | 3.0 D | > 2000 | Препоручено |
| 100 – 300 | 80 – 100 | 4.0 D | > 1000 | Обавезно |
| 300 – 600 | < 60 | 3.5 D | > 1500 | Обавезно |
| 300 – 600 | 60 – 90 | 4.0 D | > 800 | Обавезно + размотрите надоградњу легуре (Инцолои 825) |
| > 600 | било којој температури | Избегавајте хладно савијање; користите равне грејаче или вруће{0}}обликоване кривине | Није применљиво | Користите равну 316 или пређите на отпорнију легуру |
За апликације које захтевају компактне У-савијање мање од 2,5Д у окружењима са умереним хлоридом, произвођачи могу применити третман жарења после-савијања раствором (загревање до 1050 степени праћено брзим гашењем водом) да би рекристалисали напету структуру и елиминисали мартензит. Међутим, жарење раствора готових склопова грејача је често непрактично јер унутрашњи грејни елемент и завршни заптивке не могу да издрже ове температуре. У таквим случајевима, одређивање већег радијуса савијања или промена на легуре које се могу обликовати, али подједнако отпорне на корозију, као што је 316Ти (која садржи титан за стабилизацију карбида и смањење склоности мартензиту) нуди практичну алтернативу.
Комплементарне мере за ублажавање корозије{0}}повезане са савијањем
Када ограничења дизајна намећу чврст радијус савијања на омотачу од нерђајућег челика 316, три инжењерске мере могу делимично да поврате отпорност на корозију. Прво, повећање дебљине зида цеви пре савијања смањује спољну деформацију влакна за дати радијус савијања, пошто је напрезање пропорционално т/Р. Зидна цев од 1,8 мм савијена до радијуса 1,5Д доживљава мање напрезање од зидне цеви од 1,2 мм савијене у истом радијусу, смањујући стварање мартензита за приближно 30%. Друго, навођење нижег угљеника 316Л (максимално 0,03% Ц) уместо 316 (0,08% Ц) побољшава отпорност на сензибилизацију током савијања и било каквог накнадног заваривања, иако не спречава директно формирање мартензита. Треће, применом операције електрополирања после савијања уклања се танак површински слој (20–50 µм) који садржи највећу густину мартензита и деформације{16}}индуковане дефекте. Електрохемијско испитивање показује да електрополирање 1.5Д кривине враћа потенцијал питтинга до 50 мВ од несавијеног стања, продужавајући радни век за фактор три у поређењу са неполираним кривинама.
Одређивање радијуса савијања за поуздане урањајуће грејаче од нерђајућег челика 316
Када захтевају понуде за У-облике или прилагођене-савијене цеви за електрично грејање од нерђајућег челика 316, инжењери пројекта треба да експлицитно наведу минимални радијус савијања као вишекратник спољашњег пречника цеви, заједно са очекиваном концентрацијом хлорида и максималном радном температуром процесног флуида. Избегавајте подешавање стандардног радијуса савијања произвођача (често 2Д или 1,5Д) без провере компатибилности са вашом хемијом воде. За нове инсталације са тврдоћом воде и нивоима хлорида који су типични за општинско снабдевање (50–150 ппм Цл⁻, радна температура 60–80 степени), наведите минимални 3Д радијус савијања да бисте обезбедили садржај мартензита испод 5% и постигли пројектовани век трајања-без удубљења који прелази 10.000 сати. Тамо где просторна ограничења захтевају савијање јаче од 2,5Д, затражите мерења мартензита изазвана деформацијом-(користећи феритскоп или дифракцију Кс-зрака) од добављача на кривинама узорка и размислите о електрополирању или третману за ублажавање напрезања после савијања. Дајући приоритет радијусу савијања као променљивој дизајну једнакој по важности дебљини зида и завршној обради, процесни инжењери могу да спрече преурањене кварове који не настају у равним деловима већ на рањивом спољашњем влакну сваке кривине.
