За инжењере у хемијским постројењима и стручњаке за одржавање који специфицирају електричне урањајуће грејаче за апликације које укључују растворе врућег хлорида-као што су измењивачи топлоте хлађени морском водом-, резервоари за концентровање раствора соли и одређена опрема за прераду хране-феномен пуцања корозије под напрезањем представља посебан начин квара одвојен од општег испуцавања или корозије у пукотини. За разлику од равномерног стањивања зидова, пуцање од корозије под напоном ствара разгранате трансгрануларне или интергрануларне пукотине које могу да продру у омотач од нерђајућег челика 316 за недеље или месеце, често са мало видљивог упозорења. Интеракција између примењеног или заосталог затезног напона, концентрације хлорида, температуре и дебљине зида одређује да ли ће дати омотач опстати годинама или катастрофално отказати. Овај чланак квантификује како дебљина зида модификује ризик од пуцања од корозије под напоном утичући и на величину заосталих напона од производње и на време потребно да се пукотина прошири кроз зид.
Три неопходна услова за пуцање корозије под напоном у 316 омотача
Пуцање аустенитних нерђајућих челика као што је 316 од корозије под напоном захтева три истовремена услова: подложан материјал, критични ниво затезног напона и корозивно окружење које садржи хлориде на температурама обично изнад 60 степени. Разред 316 је мање подложан од 304, али није имун. Затезна напрезања се могу применити споља од притиска система или топлотног ширења, или могу бити заостала од производних операција као што су савијање, савијање и заваривање омотача. У омотачу грејача, процес савијања који се користи за компактирање изолације од магнезијум оксида око отпорне жице уводи значајна ободна заостала затезна напрезања на спољној површини 316 цеви. Ова заостала напрезања могу се приближити граници течења материјала, обезбеђујући покретачку силу за иницирање прслине чак и када су примењени напони ниски. Једном када се напрегнута корозиона прслина започне у јами или површинском дефекту, она се шири брзином у распону од 0,1 до 10 милиметара месечно у зависности од концентрације хлорида и температуре. Пукотина се наставља све док преостала дебљина зида не може више да издржи унутрашњи притисак или док пукотина не достигне унутрашњи зид, узрокујући улазак процесне течности и електрични квар.
Како дебљина зида мења настанак и ширење пукотине
Дебљина зида утиче на ризик од пуцања од корозије под напоном кроз два супротна механизма. Прво, тањи зидови генерално садрже већа заостала напрезања од истог смањења нагиба јер рад на хладном продире у већи део попречног пресека зида-. Плашт од 0,8 мм може имати површинска заостала напрезања од 400–500 МПа након испирања, док омотач од 2,0 мм истог спољашњег пречника може имати само 200–300 МПа заостало напрезање јер је ефекат хладног рада ограничен на плићи површински слој у односу на укупну дебљину. Већи резидуални напон смањује време за почетак пуцања. Друго, када пукне почне, време до перфорације је директно пропорционално преосталој дебљини зида за дату брзину ширења пукотине. Пукотина која се шири брзином од 0,5 мм месечно ће продрети у омотач од 0,8 мм за 1,6 месеци, али је потребно 4 месеца да продре у омотач од 2,0 мм. Нето ефекат ствара не{18}}монотонски профил ризика. Веома танки омотачи (испод 1,0 мм) брзо покрећу пукотине, али имају мало материјала за продирање. Веома дебели омотачи (изнад 2,0 мм) спорије покрећу пукотине, али им је потребно дуже да перфорирају. Средње дебљине од 1,2–1,6 мм представљају највећи ризик зато што покрећу умереном брзином, али имају довољну дебљину зида да сакрију растуће пукотине током дужег периода пре изненадног лома.
Прагови температуре и концентрације хлорида за 316 омотача
Осетљивост нерђајућег челика 316 на пуцање од корозије под напоном у растворима хлорида је занемарљива испод 60 степени. Између 60 степени и 80 степени, пуцање се јавља само у концентрисаним хлоридима изнад 1.000 ппм са високим затезним напонима. Између 80 степени и 120 степени, ризик постаје значајан чак и при умереним нивоима хлорида од 100-500 ппм. Изнад 120 степени, 316 се сматра неприкладним за било које окружење које садржи хлорид{15}}у којем постоје затезни напони, без обзира на дебљину зида. За омоте грејача који раде у овим високо{17}}ризичним температурним опсегима, практичан инжењерски одговор је или смањење концентрације хлорида испод 10 ппм, елиминисање затезних напона кроз потпуно жарење након производње или надоградња на отпорнију легуру као што је Инцолои 825 или титанијум. Следећа табела даје препоруке за дебљину зида за 316 омотача у хлоридној употреби на основу температуре и концентрације хлорида, под претпоставком да се заостала напрезања од савијања не могу елиминисати.
| Радна температура | Концентрација хлорида | Препоручена минимална дебљина зида омотача 316 | Очекивани радни век пре опасности од напонске корозије | Алтернативна препорука |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 степени | < 100 ppm | 1,2 мм | Низак ризик, > 5 година | 316 прихватљиво |
| 60-80 степени | 100–1000 ппм | 1,6 мм | Умерени ризик, 2-4 године | Пратити годишње |
| 60-80 степени | >1,000 ппм | 2,0 мм | Висок ризик, 1-2 године | Размислите о надоградњи легуре |
| 80-100 степени | < 100 ppm | 1,6 мм | Умерени ризик, 2-3 године | Размислите о надоградњи легуре |
| 80-100 степени | 100–500 ппм | 2,0 мм | Висок ризик, 1-2 године | Препоручује се надоградња легуре |
| 80-100 степени | >500 ппм | Не препоручује се | Непредвидиво, < 1 године | Користите Инцолои 825 или титанијум |
| 100–120 степени | Било који хлорид који се може детектовати | Не препоручује се | Вероватно брзи неуспех | Обавезна надоградња легуре |
| >120 степени | Било који хлорид | Није прикладно | Непосредни неуспех | Промените спецификацију материјала |
Модификације дизајна за смањење ризика од напонске корозије од пуцања без повећања дебљине зида
Пре него што прихвате топлотну казну дебљег зида, инжењери би требало да размотре три модификације дизајна које смањују компоненту затезног напона у једначини пуцања због напонске корозије. Први и најефикаснији је потпуно жарење завршеног склопа грејача након свих операција савијања и савијања. Жарење на 1050 степени праћено брзим хлађењем смањује заостала напрезања за приближно 80–90% са минималним утицајем на отпорност на корозију. Компромис-је потенцијална оксидација жице унутрашњег отпора и додатни трошкови производње. Друга модификација је да се специфицирају процеси са ниским-заосталим-напонима. Вишеструки лаки пролази са средњим отпуштањем напрезања производе ниже заостале напоне него једно тешко смањење. Произвођачи који су специјализовани за грејаче високе{13}}поузданости обично могу да постигну површинска заостала напрезања испод 150 МПа чак и у зидним облогама од 1,2 мм. Трећа модификација укључује дизајн система да се минимизира примењена затезна напрезања. Избегавање круте монтаже која ограничава термичко ширење, коришћење флексибилних електричних веза и пројектовање за низак системски притисак, све то смањује укупни затезни напон на омотачу. За апликације где се примењују ове модификације, омотач од 1,2 мм 316 може да постигне прихватљив радни век у условима који би уништили плашт од 2,0 мм са високим заосталим напоном.
Стратегије инспекције и праћења постојећих постројења
За грејаче који су већ у употреби у окружењима са врућим хлоридом, избор дебљине зида не може се мењати ретроактивно. Уместо тога, од суштинског је значаја редовна инспекција због пуцања услед корозије под напоном. Испитивање пенетрације боје површине омотача може открити почетне пукотине пре него што продру у зид. За омоте са 1,2–1,6 мм дебљине зида у 80 степени, 500 ппм хлорида, препоручују се кварталне провере. За дебље омотаче од 2,0 мм или више, полугодишње инспекције могу бити довољне јер дуже време размножавања пружа више упозорења. Праћење акустичне емисије током рада може да открије активност пуцања у реалном времену, мада је ова техника обично резервисана за критичне или{11}}инсталације високе вредности. Најважнији знак упозорења је појава финих гранастих пукотина на површини омотача, често видљивих само под увећањем или са пенетрантом боје. Када се уоче пукотине, грејач треба одмах заменити без обзира на преосталу дебљину зида, јер се брзина ширења може непредвидиво убрзати.
Закључак: Управљање пуцањем корозије под напрезањем кроз информисану спецификацију дебљине зида
За инжењере који бирају омоте од нерђајућег челика 316 за електричне урањајуће грејаче у окружењима са врућим хлоридом, дебљина зида је алат за управљање ризиком, а не једноставан параметар издржљивости. Дебљи зидови обезбеђују дуже време ширења пукотине, али не спречавају настанак пукотине ако су заостала напрезања висока. Тањи зидови могу брже да изазову пукотине, али пре перфорирају, обезбеђујући мање скривене деградације. Најсигурнији приступ је избегавање услова у којима је могуће пуцање од корозије под напоном-одржавање температура испод 60 степени, хлорида испод 100 ппм или заосталих напона испод 100 МПа. Када примена чини ове услове неизбежним, дебљина зида од 1,6–2,0 мм у комбинацији са пуним жарењем нуди најбољу равнотежу отпорности на настанак пукотине и маргине ширења. За концентрације хлорида изнад 1.000 ппм или температуре изнад 100 степени, једина одговорна инжењерска препорука је да изаберете другу легуру омотача. Цена надоградње на Инцолои 825 или титанијум је скромна у поређењу са ценом неочекиваног квара грејача који контаминира серију производа, затвара процесну линију или ствара опасност по безбедност од електричних делова под напоном изложених проводљивим растворима хлорида.
